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深度解讀
美日科學家為特殊近紅外器件打造新型碳納米管研究平臺
星之球科技 來源:微迷網2018-03-26 我要評論(0 )
圖為在萊斯大學的實驗中,一片玻璃上呈灰色的規(guī)則排列碳納米管晶圓(透過玻璃看到的貓頭鷹標志為萊斯大學校徽),促成了新型量子
圖為在萊斯大學的實驗中,一片玻璃上呈灰色的規(guī)則排列碳納米管晶圓(透過玻璃看到的貓頭鷹標志為萊斯大學?;眨俪闪诵滦土孔有▓D片來源:Jeff Fitlow)
據(jù)麥姆斯咨詢報道,美國萊斯大學(Rice University)和日本東京都立大學(Tokyo Metropolitan University)的科學家在碳納米管薄膜中觀測到一種新型量子效應,該量子效應可能有助于獨特激光器和其它光電器件的研發(fā)。
“Rice-Tokyo”研究團隊報告稱,通過利用單壁碳納米管作為等離子體量子限域場(plasmonic quantum confinement fields),在量子尺度下操控光的能力取得重要進展。
該現(xiàn)象是在物理學家Junichiro Kono 的美國萊斯大學實驗室中發(fā)現(xiàn)的,這可能成為開發(fā)納米級近紅外激光器等光電器件的關鍵技術,納米級近紅外激光器發(fā)射連續(xù)光束的波長太短,以目前的技術水平還無法實現(xiàn)。
《Nature Communications》刊登了這項新研究的詳細介紹。
Kono團隊發(fā)現(xiàn)了這種“可在晶圓尺寸薄膜中實現(xiàn)碳納米管非常緊密的規(guī)則排列”的方法,這種薄膜–能夠實現(xiàn)那些在單根或纏結的納米管聚合體難以實現(xiàn)的實驗,這吸引了東京都立大學物理學家Kazuhiro Yanagi的關注,Yanagi專攻方向是納米材料中的凝聚物理學。于是雙方開始了聯(lián)合研究。
Kono關于此次合作項目介紹說:“這次研究中,Yanagi提供了‘門控技術(gating technique)’(該技術可控制納米管薄膜中電子的密度),我們提供了碳納米管對準技術。這是我們首次制造出帶‘門控柵極(gate)’的如此大面積規(guī)則排列的碳納米管薄膜,使我們實現(xiàn)了注入并取出大量的自由電子。”
Yanagi補充說道:“門控技術雖然非常有用,但是我之前使用的薄膜中的碳納米管是隨機排列的。這種情況是非常令人沮喪的,因為我無法準確地知曉這類薄膜中納米管的一維特性,而這其實非常重要。由Kono團隊提供的薄膜是非常令人驚嘆的,因為這些薄膜終于可以幫我解決這個難題。”
這兩個團隊將技術結合,實現(xiàn)了“將電子注入只有1納米寬的納米管中,然后用偏振光激發(fā)它們”的難題。碳納米管的寬度捕獲了量子阱中的電子,其中原子和亞原子粒子的能量被“限制”在某狀態(tài)或次能帶。然后偏振光使它們在管壁間迅速振蕩。Kono認為:“只要有足夠的電子,它們就可以充當?shù)入x子體。”
Kono說:“等離子體是一種在限制結構中的集體電荷振蕩。對于一塊平板、一片薄膜、一條絲帶、一個粒子或球體,如果你擾亂這些系統(tǒng)(通常使用光束),這些自由載體會以某個特征頻率集體運動。”而這種效應是由電子的數(shù)量和物體的大小和形狀共同決定的。
在美國萊斯大學的實驗中,由于納米管非常薄,以至于量子次能帶間的能量幾乎與等離子體的能量相當。Kono認為:“這就是等離子體激元的量子機制,其中子帶間過渡被稱為帶間等離子體激元(intersubband plasmon,ISP)。研究者已在超遠紅外波長范圍內的人造半導體量子阱中研究過該現(xiàn)象,但此次研究是首次在低維材料自然發(fā)生的狀態(tài)下、且波長如此短的情況下觀察到該現(xiàn)象。”
在等離子體激元響應中檢測到這種非常復雜的“柵極電壓(gate voltage)依賴”是一個驚喜,與其在金屬和半導體單壁納米管中的現(xiàn)象一樣。Kono認為:“通過研究光納米管相互作用的基本理論,我們能夠推導出共振能量的公式。令我們吃驚的是,這個公式非常簡單。只有納米管的直徑是其中的決定性變量。”
研究人員認為,該現(xiàn)象可能會促進通信學、光譜學和成像學、以及高度可調的近紅外量子級聯(lián)激光器等技術的進步。
Kono團隊是利用規(guī)則排列納米管進行器件研發(fā)的先鋒團隊。該研究的合著者、Kono團隊的博士后研究員Weilu Gao認為,傳統(tǒng)半導體激光器依賴于激光材料的帶隙寬度,但量子級聯(lián)激光器卻不是這樣。Weilu Gao說:“量子級聯(lián)激光器的波長是獨立于帶隙的。我們的激光就屬于此類。我們僅通過改變納米管的直徑,就可以調諧等離子體激元共振能量,完全不用考慮帶隙的問題。”
Kono還預測,這種柵極的、規(guī)則排列的納米管薄膜將使物理學家有機會研究Luttinger液體,一維導體中相互作用的電子理論。
Kono認為:“一維金屬預測與二維和三維金屬有很大的不同,碳納米管是觀察Luttinger液體行為的最佳候選方法之一。單納米管研究是相當困難的,但我們建立了一個宏觀的一維系統(tǒng)。通過摻雜或門控,就可以調整費米能量。我們甚至可以把一維半導體轉化成一維金屬。因此,這是研究此類物理現(xiàn)象的理想系統(tǒng)。”
東京都立大學凝聚物理學教授Yanagi是該論文的第一作者。論文的合著者還包括:東京都立大學的研究生Ryotaro Okada和Yota Ichinose、該專業(yè)助理教授Yohei Yomogida、以及萊斯大學的研究生Fumiya Katsutani。Kono是電子和計算機工程/物理和天文學/材料科學和納米工程的教授。
該研究由日本學術振興會科研補助金(KAKENHI)、日本科學技術發(fā)展推進核心項目、山田科學基金會與美國能源部的基礎能源科學項目、美國國家科學基金會與羅伯特·韋爾奇基金會共同資助。
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