Яркое свечение нанотрубок

Углеродные нанотрубки являются прямозонными полупроводниками. Это означает, что в них может происходить непосредственная аннигиляция электрон-дырочных пар, приводящая к испусканию фотона. Прямозонность автоматически включает нанотрубки в число материалов оптоэлектроники. Для сравнения, непрямозонный кремний только в последнее время попал в число избранников, но только в наноструктурном виде. Имеется в виду пористый кремний, а также вкрапления нанокристаллов кремния в оксиды кремния. В объемном кристаллическом кремнии излучательная рекомбинация возможна только из связанных состояний, каковыми являются экситоны или локализованные центры. Из-за малой энергии связи и довольно сильного взаимодействия с фононами экситоны быстрее разваливаются, чем рекомбинируют. В результате свечение очень слабое.

Исследователи из IBM T.J.Watson Research Center (США) показали, что в ярком свечении углеродных нанотрубок основную роль все-таки играют экситоны, а не прямые переходы. Однако для этого нанотрубку надо подвесить! Одномерность нанотрубок значительно усиливает кулоновское взаимодействие, а значит и увеличивает энергию связи экситона. Кроме того, матричный элемент перехода с образованием экситона тоже возрастает. Подвешенное состояние нанотрубки обеспечивает взаимодействие только с одномерными фононами, которое является слабым. В участках, лежащих на контактах присутствует сильное взаимодействие с объемными фононами. На рис. 6с показана зонная диаграмма структуры. Поле в зазоре настолько велико, что инжектируемые электроны (униполярная инжекция) рождают электрон-дырочные пары. Эти пары быстро образуют экситоны, которые аннигилируют с испусканием фотонов. Так одномерность заставляет нанотрубки ярко светить.

Рис. 6. – вид (А) и зонная диаграмма (С) структуры

Специалисты компании IBM создали самые маленькие на сегодняшний день твердотельные, управляемые посредством электрического тока излучатели света на основе углеродных нанотрубок. Об этом было сообщено в первом майском выпуске журнала Science (Vol. 300, P. 783-786). Достигнутый успех показывает, что уникальные свойства нанотрубок могут найти применение в оптоэлектронике - основе современной высокоскоростной связи.

В эксперименте использовались единичные нанотрубки с диаметром 1,4 нм, оформленные в виде полевого транзистора, в котором, как и в обычном транзисторе, приложенное к затвору низкое напряжение переключает ток, текущий между противоположными концами нанотрубки, служащими истоком, и сток. Исток служил источником отрицательных зарядов (электронов), а сток - источником положительных зарядов (дырок). Встречаясь в нанотрубке, заряды рекомбинировали и порождали излучение. Было зафиксировано излучение с длиной волны 1,5 мкм, широко используемое в оптических каналах связи. При этом оказалось, что излучаемая длина волны зависит от диаметра нанотрубок, а это важно для их использования в других приложениях. Приложенное к затвору напряжение позволяло включать и выключать такой излучатель.

По мнению ученых, излучатели на нанотрубках могут комбинироваться с другими нанотрубками или кремниевыми электронными компонентами, что откроет новые возможности как в электронике, так и в оптоэлектронике.