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碳納米管的光學(xué)性質(zhì)可以通過缺陷設(shè)計得到改善。圖片來源：Simon Settele/海德堡大學(xué)
本報訊?碳基納米材料特性可以通過引入某些結(jié)構(gòu)“缺陷”加以改進。然而，控制這些缺陷的數(shù)量和類型一直是一項挑戰(zhàn)。近日，德國海德堡大學(xué)研究人員演示了一種新反應(yīng)途徑以控制這種缺陷。這會導(dǎo)致特定的光學(xué)活性缺陷，即所謂的sp3缺陷，從而使碳納米管進一步發(fā)光并可以發(fā)射單光子。近紅外光的有效發(fā)射對于遠程通信和生物成像具有重要意義。
通常，缺陷被認(rèn)為是“壞”東西，會對材料性能產(chǎn)生負面影響。然而，在某些納米材料中，例如碳納米管，一些缺陷可以產(chǎn)生“好”作用，并使新功能成為可能。在這里，精確的缺陷類型是至關(guān)重要的。碳納米管由卷起來的六邊形sp2碳原子晶格片組成，這些空心管直徑約為1納米、長幾微米。
通過一定的化學(xué)反應(yīng)，晶格中的sp2碳原子可以轉(zhuǎn)化為sp3碳原子。這改變了碳納米管的局部電子結(jié)構(gòu)，并導(dǎo)致了一個光學(xué)活性缺陷。這些缺陷在近紅外波段發(fā)出的光更遠，總體上比未被功能化的納米管更能發(fā)光。
由于碳納米管的幾何形狀，引入sp3碳原子的精確位置決定了缺陷的光學(xué)性質(zhì)?！安恍业氖?，到目前為止，對缺陷形成的控制還非常有限?！焙５卤ご髮W(xué)教授Jana Zaumseil說。
該團隊展示了一種新的化學(xué)反應(yīng)途徑，能控制缺陷并選擇性地產(chǎn)生一種特定類型的sp3缺陷。這些光學(xué)活性缺陷比之前引入的任何缺陷都“好”。Zaumseil解釋說，它們不僅更能發(fā)光，而且在室溫下還能發(fā)射單光子。在這個過程中，一次只能發(fā)射一個光子，這是量子密碼學(xué)和高度安全通信的先決條件。
專家認(rèn)為，能夠制造出大量具有特定缺陷且缺陷密度可控的納米管，為光電器件和電泵單光子源發(fā)展鋪平了道路。相關(guān)論文近日刊登于《自然—通訊》。（魯亦）
相關(guān)論文信息：http://dx.doi.org/10.1038/s41467-021-22307-9
《中國科學(xué)報》 (2021-04-15 第2版 國際)關(guān)注【深圳科普】微信公眾號，在對話框：
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