Les scientifiques ont appris à placer des défauts cristallins dans de nouveaux matériaux avec une précision à l'échelle atomique. Cela permet d'obtenir des matériaux capables de contrôler les excitons, des vecteurs d'énergie similaires aux particules subatomiques. De nouvelles recherches montrent que, en fixant avec précision des composés chimiques spécifiques à une surface de nanotube de carbone, les scientifiques peuvent créer des puits d'énergie locaux qui "capturent" les excitons. Les puits abaissent l'état énergétique des excitons. Cela empêche la perte de leur énergie sous forme de chaleur et contrôle la couleur de la lumière qu'ils émettent.

Des améliorations petites mais profondes entraînent chaque génération de percées dans les télécommunications optiques. Les nouveaux matériaux des composants permettent aux appareils d'être plus petits, plus efficace, et plus précis. Cependant, ces matériaux fonctionnent mieux lorsque les chercheurs les conçoivent et les construisent à partir de blocs de construction à l'échelle nanométrique. Ces minuscules blocs de construction ne mesurent que des milliardièmes de mètre de large. Ces matériaux offrent plus lumineux, une émission lumineuse plus contrôlée et plus proche du spectre infrarouge requis pour les télécommunications.

Les nanotubes sont des cylindres creux de feuilles de carbone liées de manière hexagonale qui n'ont qu'un atome d'épaisseur. Leur électrique, élastique, thermique, et les propriétés optiques sont particulièrement intéressantes pour les matériaux de télécommunications avancés. Le défi a été que les nanotubes de carbone à paroi unique ont tendance à émettre de la lumière de manière inefficace et à l'extrémité bleue la moins utile du spectre des ondes lumineuses. Ces facteurs les rendent moins adaptés aux télécommunications. L'inefficacité provient du mouvement rapide des électrons excités (ou "excitons") à travers la surface des nanotubes. Ces excitons se désintègrent et perdent leur énergie sous forme de chaleur lorsqu'ils rencontrent des défauts structurels naturels à la surface. Les nanotubes excités optiquement utiles doivent donc minimiser la production de chaleur, maximiser l'émission lumineuse, et produire une lumière plus proche du spectre infrarouge pertinent pour les télécommunications. La fixation de groupes chimiques spécifiques à la surface du nanotube modifie le paysage énergétique potentiel en créant des "puits d'énergie" le long de la surface du nanotube. Les puits attirent les excitons de surface flottant librement et les piègent dans des zones de quelques nanomètres de long. Parce que les électrons excités ne peuvent pas se déplacer librement, ils sont "forcés" de libérer de l'énergie sous forme de lumière plutôt que de chaleur. Les excitons piégés ont également un état d'énergie inférieur, qui "déplace vers le rouge" les ondes lumineuses émises plus près de la partie infrarouge souhaitée du spectre.

Dans cette étude, des scientifiques du Centre de nanotechnologies intégrées, une installation utilisateur du Bureau des sciences du ministère de l'Énergie (DOE), et leurs co-auteurs ont testé trois nouveaux types de groupes chimiques sur des nanotubes de carbone à paroi unique. Les chercheurs ont créé des modèles théoriques de structures à l'échelle atomique qui ont optimisé le placement de liaisons chimiques stables pour maximiser l'émission optique des nanotubes. Ils ont vérifié les résultats expérimentalement, fournissant la preuve directe que les surfaces modifiées ont amélioré l'émission de lumière. Cette innovation aidera les futures équipes à créer des fonctions optiques plus finement réglées dans des nanotubes chimiquement modifiés.

Les résultats ont été publiés dans Chimie des Matériaux .