Carbon nanotube structure on dark background
Ученые из Института общей физики им. А. М. Прохорова РАН и МФТИ совместно с коллегами исследовали влияние «ловушек» на оптические свойства углеродных нанотрубок. При обработке соляной кислотой на поверхности трубок остаются отдельные атомы водорода. Они не образуют химических связей с поверхностью, и, значит, не вносят дефекты в структуру нанотрубки. Эти атомы служат «ловушками» — попавшая в их зону влияния квазичастица не может «сбежать» (становится локализованной). Основываясь на данных, полученных методами спектроскопии, физики пришли к выводу — в «ловушку» попались экситон (состоит из электрона и «дырки») и трион (экситон, к которому присоединились еще одна дырка или электрон). Результаты опубликованы в журнале Scientific reports.
Углеродные нанотрубки — легкий и прочный материал, перспективный со многих точек зрения. Пленки из углеродных нанотрубок с полупроводниковой проводимостью в будущем способны заменить оксид индия-олова — твердый прозрачный материал, который уже 60 лет используется для создания прозрачных электродов. Без редкоземельного индия дисплеи и сенсорные экраны станут дешевле, и кроме того, их можно будет без вреда сгибать и сворачивать.
За переключение пикселей на гибком экране отвечают тонкопленочные транзисторы. Чем быстрее заряд способен двигаться в материале, тем быстрее реагируют транзисторы и тем оперативнее отклик экрана. Для описания процессов переноса зарядов в полупроводниках физики ввели понятие «квазичастица». Примером может служить «дырка» — оставшееся после отрыва электрона свободное место на орбитали атома. Квазичастица экситон (от латинского «возбуждаю») представляет собой пару «электрон — дырка», которая движется, будто частицы «привязаны» друг к другу. Если к экситону присоединяется еще одна частица, получается трион.
Чтобы исследовать квазичастицы, ученые добавляли в водную суспензию углеродных нанотрубок с полупроводниковой проводимостью соляную кислоту. Далее авторы исследовали спектры поглощения суспензий с разным количеством соляной кислоты. Чем выше была концентрация кислоты, тем больше формировалось «ловушек» — осевших на поверхности трубок атомов водорода —и тем больше в них попадалось экситонов и трионов
Энергия нанотрубок может принимать только определенные значения. Уровни энергии похожи на полки шкафа — книгу можно поставить на вторую или десятую, но нельзя на 9¾. Физики получают спектр поглощения, воздействуя на вещество излучением: если энергия, которую фотон может передать частице при столкновении, совпадает с «расстоянием между полками», частица поглощает его и переходит на более высокий уровень. Меняя длину волны падающего излучения, можно определить, когда оно поглощается веществом сильнее, и определить расположение «полок».
Спектры а) поглощения и б) фотолюминесценции нанотрубок в зависимости от концентрации соляной кислоты
Кроме того, ученые исследовали спектры фотолюминесценции. При этом методе частицы переходят в возбужденное состояние под влиянием излучения, а затем возвращаются в исходное, испуская фотон (следуя аналогии, мы заталкиваем книги на верхние полки, а потом регистрируем шум от их падения на нижние). Ученые отметили, что с увеличением числа осевших на трубке атомов водорода снижается количество экситонов. Зато появляется новый энергетический переход, обозначенный как Х-полоса. Этот переход заметен также и на спектрах поглощения (рисунок 2). Исследователи предположили, что он соответствует попавшим в «ловушки» частицам.
Вышеописанные методы не позволяют отдельно рассматривать энергетические переходы, разделенные очень малыми промежутками времени (порядка 10-12 секунд), — они сливаются, и в итоге непонятно, какие именно частицы находятся в «ловушке». Поэтому далее спектры исследовали с помощью метода возбуждения-зондирования (pump-probe spectroscopy).
Прибор испускает одновременно два лазерных луча, один из которых идет по короткому пути (импульс возбуждения), а другой — по длинному, и из-за этого слегка отстает (импульс зондирования). Длительность лазерного импульса составляет 10-15–10-12 секунд. С помощью заслонки исследователи блокировали каждый второй импульс возбуждения, таким образом измеряя разность поглощения света образцом в возбужденном (заслонка открыта) и невозбужденном (закрыта) состояниях. Меняя задержку между импульсами возбуждения и зондирования, ученые узнали, как эта разность меняется со временем (рисунок 3).
Схема метода возбуждения-зондирования. Источник: А. С. Мерещенко, «Методы оптической спектроскопии с временным разрешением»
Обработка полученной этим методом информации позволила выделить энергетические уровни, формирующиеся через разное время после импульса (обозначены E1, X и Т, рисунок 3). Первые два соответствуют образованию экситона, свободного и пойманного в протонную ловушку (так как интенсивность X-полосы повышается при увеличении концентрации соляной кислоты). Третий формируется через заметное время (примерно одну пикосекунду) после формирования экситонных уровней, исходя из чего авторы связали его с образованием в «ловушке» новой квазичастицы, триона.
«Допированные одностенные углеродные нанотрубки уже продемонстрировали ранее свои уникальные свойства в качестве проводящих прозрачных электродов. В этой работе мы выявили в таких нанотрубках многочастичные оптические возбуждения и выяснили механизмы миграции энергии. Развитие этого направления открывает новые перспективы для нелинейной оптики», — сообщил один из авторов работы Тимофей Ерёмин, младший научный сотрудник лаборатории наноуглеродных материалов МФТИ.
Энергетические уровни и переходы между ними
Полученные данные способствуют более глубокому пониманию энергетической структуры углеродных нанотрубок с внесенными примесями, что важно не только с фундаментальной, но и с практической точки зрения. В дальнейшем ученые планируют исследовать уровни энергии углеродных нанотрубок с различными типами «ловушек».
Работа выполнена коллективом ученых из МФТИ, Института общей физики им. А. М. Прохорова РАН, МГУ, МИФИ, ФТИ им. Иоффе, а также университета Восточной Финляндии.
