Adapter les dimensions et d'autres attributs des nanotubes de carbone peut augmenter considérablement la quantité de lumière qu'ils émettent, trois physiciens de RIKEN ont découvert. Cette découverte promet de conduire au développement de dispositifs photoniques très efficaces.

Les nanotubes de carbone sont de minuscules cylindres qui ne mesurent qu'un nanomètre à quelques nanomètres de diamètre, mais peuvent atteindre plusieurs micromètres de longueur. Leurs excellentes propriétés électroniques et mécaniques les rendent attrayants pour une utilisation dans des appareils économes en énergie. En particulier, un défaut dans les structures de carbone atomique par ailleurs pures des nanotubes peut émettre des photons uniques de lumière, un composant vital pour de nombreux dispositifs nanométriques nécessaires au calcul quantique et aux communications.

Dans un dispositif électroluminescent typique, la lumière laser ou un champ électrique crée des paires d'électrons et de trous appelés excitons. Un peu plus tard, l'électron et le trou se recombinent et l'exciton s'annihile. Selon la symétrie de l'exciton, l'annihilation peut entraîner l'émission de lumière ou non.

Environ la moitié des excitons créés sont brillants, tandis que l'autre moitié est sombre et se recombine sans émettre de lumière. Certains excitons sombres peuvent devenir des excitons brillants puis émettre de la lumière lors de l'annihilation. Mais les nanotubes de carbone ont tendance à avoir une faible efficacité d'émission de lumière, principalement parce que les excitons sombres se recombinent souvent avant de pouvoir se transformer en excitons brillants.

Maintenant, Yuichiro Kato et deux collègues, le tout au Laboratoire de photonique quantique à l'échelle nanométrique RIKEN, ont découvert qu'en adaptant les spécifications des nanotubes, plus de la moitié des excitons sombres peuvent être convertis en excitons brillants, améliorant ainsi considérablement le rendement lumineux des nanotubes (Fig. 1).

Les chercheurs ont effectué des mesures de luminescence résolues en temps sur une gamme de nanotubes de carbone. En ajustant les traces de luminescence résolues en temps avec un modèle, ils ont constaté que le taux de conversion entre les excitons sombres et brillants dépend de la longueur, diamètre et chiralité des nanotubes. Les trois chercheurs ont estimé que dans les nanotubes plus longs, le taux de conversion des excitons sombres en excitons brillants était si élevé que plus de la moitié des excitons sombres contribuaient à la luminescence totale.

"Ces résultats montrent que les excitons sombres peuvent affecter de manière significative la cinétique d'émission dans les matériaux de faible dimension tels que les nanotubes, ", dit Kato. "Ils soulignent ainsi le potentiel d'utiliser les interactions de surface pour concevoir le processus de conversion sombre en clair."

L'équipe a maintenant l'intention d'explorer le potentiel d'exploiter cet effet. « Nous sommes intéressés à utiliser ce processus de conversion efficace pour obtenir des émetteurs monophotoniques en nanotubes de carbone qui ont de meilleures performances, " dit Kato.