Разработана новая технология отображения отдельных углеродных нанотрубок

Несмотря на почти неразличимые размеры, одностенные углеродные нанотрубки бывают разных видов.

Каждый из этих видов обладает собственной уникальной структурой и комбинацией электронных и оптических свойств. Описание структуры и свойств отдельных углеродных нанотрубок до сих пор было сопряжено с рядом сложностей.

Исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли при Министерстве энергетики США и Калифорнийского университета в Беркли разработали технологию, которая может использоваться для идентификации структуры отдельных углеродных нанотрубок и описания их электронных и оптических свойств в функциональном устройстве.

«С помощью новой высококонтрастной поляризационной оптической микроскопии мы получили видео и провели спектроскопию отдельных углеродных нанотрубок на разных подложках и в функциональных устройствах», отметил физик Фень Вонг. „Впервые мы способны получить изображения и спектры каждой нанотрубки по отдельности в общей среде, что, несомненно, станет важнейшим инструментом для перспективной нанотехнологии“.

Профессор Вонг — автор статьи, опубликованной в издании Nature Nanotechnology.

Одностенные углеродные нанотрубки могут быть металлическими или полупроводниковыми, в зависимости от структуры. Полупроводниковые нанотрубки могут обладать совершенно разными электронными запрещенными зонами, что приводит к различным электронным и оптическим свойствам.

«Чтобы полностью понять устройства с полевым эффектом или оптоэлектронные устройства, сделанные из одностенных углеродных нанотрубок, важно знать, какой вид углеродных нанотрубок используется в каждом случае», сказал Вонг. „Ранее подобные данные получить было невозможно, и исследователи могли лишь предполагать, что произойдет далее“.

Физической структурой электронными свойствами каждой отдельной разновидности одностенных углеродных нанотрубок заведует хиральность. Это значит, что их структура может быть как левонаправленной, так и правонаправленной. В итоге достижение хирально-контролируемого роста углеродных нанотрубок и понимание физики хиральнозависимых устройств стали двумя основными проблемами в области исследования нанотрубок.

«Поляризационная оптическая микроскопия и спектроскопия подходят для решения этих проблем, поскольку поляризованный свет весьма чувствителен к оптической анизотропии в системе и долгое время использовался для изучения хиральности в молекулах и кристаллах», отметил Вонг. „Однако слабый сигнал и неизбежный фон среды препятствовали использованию поляризованной оптической микроскопии для исследования отдельных углеродных нанотрубок“.

Проблемы появились в результате очевидного противоречия в поляризационной оптической микроскопии. Для любого оптического микроскопа важным параметром всегда является объектив с большим значением апертуры, чтобы добиться высокого разрешения, однако поляризованный свет, проходящий через такой объектив, становится деполяризованным. С помощью новой технологии Вонг с коллегами сумели добиться того, что не удавалось никому прежде, одновременно достигнув высокой поляризации и высокого разрешения.

«Ключевым для нашего успеха стало то, что излучением и накоплением света можно управлять отдельно», сказал Вонг. „Мы использовали объектив с большой апертурой для сбора света, чтобы получить высокое разрешение, и сумели создать объектив с эффективно малой апертурой для освещения, ради поддержания высокой частоты поляризации“.

В своем устройстве Вонг с коллегами собрали рассеянный нанотрубками поляризованный свет с помощью объектива со значением апертуры 0,8. При этом для создания света они использовали значительно более узкий луч суперконтинуумного лазера и существенно меньшее значение апертуры. В итоге была получена поляризация на порядок величины выше, чем можно было добиться ранее с помощью обычной поляризационной микроскопии и наномасштабного разрешения. Это позволило ученым получить цельные хиральные облики сотен углеродных нанотрубок, и на месте провести мониторинг активных устройств с полевым эффектом.

«Мы заметили, что оптические резонансы нанотрубок высокого порядка весьма расширены за счет электростатического легирования, неожиданного поведения, которое указывает на сильное межгрупповое рассеивание между электронами, доминирующее над ультрабыстрой динамикой возбужденных состояний углеродных нанотрубок», сообщил Вонг.

Ученые отмечают, что новая технология может использоваться не только с углеродными нанотрубками, но и для значительного усиления оптического контраста других анизотропных наноразмерных материалов, которые нельзя увидеть в обычные оптические микроскопы. Это графеновые наноленты, полупроводниковые нанопровода и наностержни, а также нанобиоматериалы, такие как актиновые нити.

13.11.2013