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为特殊近红外器件打造新型碳纳米管研究平台

时间:2018-03-28 10:29来源:新材料产业 作者:emat信息发布 点击:
  据麦姆斯咨询报道,美国莱斯大学(Rice University)和日本东京都立大学(Tokyo Metropolitan University)的科学家在碳纳米管薄膜中观测到一种新型量子效应,该量子效应可能有助于独特激光器和其它光电器件的研发。

图为在莱斯大学的实验中,一片玻璃上呈灰色的规则排列碳纳米管晶圆(透过玻璃看到的猫头鹰标志为莱斯大学校徽),促成了新型量子效应(图片来源:Jeff Fitlow)
  “Rice-Tokyo”研究团队报告称,通过利用单壁碳纳米管作为等离子体量子限域场(plasmonic quantum confinement fields),在量子尺度下操控光的能力取得重要进展。

  Kono关于此次合作项目介绍说:“这次研究中,Yanagi提供了‘门控技术(gating technique)’(该技术可控制纳米管薄膜中电子的密度),我们提供了碳纳米管对准技术。这是我们首次制造出带‘门控栅极(gate)’的如此大面积规则排列的碳纳米管薄膜,使我们实现了注入并取出大量的自由电子。”

  Yanagi补充说道:“门控技术虽然非常有用,但是我之前使用的薄膜中的碳纳米管是随机排列的。这种情况是非常令人沮丧的,因为我无法准确地知晓这类薄膜中纳米管的一维特性,而这其实非常重要。由Kono团队提供的薄膜是非常令人惊叹的,因为这些薄膜终于可以帮我解决这个难题。”

  这两个团队将技术结合,实现了“将电子注入只有1纳米宽的纳米管中,然后用偏振光激发它们”的难题。碳纳米管的宽度捕获了量子阱中的电子,其中原子和亚原子粒子的能量被“限制”在某状态或次能带。然后偏振光使它们在管壁间迅速振荡。Kono认为:“只要有足够的电子,它们就可以充当等离子体。”

  在等离子体激元响应中检测到这种非常复杂的“栅极电压(gate voltage)依赖”是一个惊喜,与其在金属和半导体单壁纳米管中的现象一样。Kono认为:“通过研究光纳米管相互作用的基本理论,我们能够推导出共振能量的公式。令我们吃惊的是,这个公式非常简单。只有纳米管的直径是其中的决定性变量。”

  研究人员认为,该现象可能会促进通信学、光谱学和成像学、以及高度可调的近红外量子级联激光器等技术的进步。

  Kono团队是利用规则排列纳米管进行器件研发的先锋团队。该研究的合著者、Kono团队的博士后研究员Weilu Gao认为,传统半导体激光器依赖于激光材料的带隙宽度,但量子级联激光器却不是这样。Weilu Gao说:“量子级联激光器的波长是独立于带隙的。我们的激光就属于此类。我们仅通过改变纳米管的直径,就可以调谐等离子体激元共振能量,完全不用考虑带隙的问题。”

  该研究由日本学术振兴会科研补助金(KAKENHI)、日本科学技术发展推进核心项目、山田科学基金会与美国能源部的基础能源科学项目、美国国家科学基金会与罗伯特·韦尔奇基金会共同资助。
(责任编辑:zhangfei@emat.com.cn)
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