p Os nanotubos de carbono têm o potencial de funcionar como dispositivos emissores de luz, o que pode levar a uma variedade de aplicações nanofotônicas. Contudo, nanotubos atualmente têm um baixo rendimento quântico de luminescência, normalmente em torno de 1%, que é restrito por sua natureza unidimensional. Em um novo estudo, cientistas demonstraram que modificar artificialmente a dimensionalidade dos nanotubos de carbono, dopando-os com estados de dimensão zero, pode aumentar sua luminosidade para 18%. As descobertas podem levar ao desenvolvimento de dispositivos nanofotônicos, como um emissor de fóton único no infravermelho próximo que opera em temperatura ambiente. p Os pesquisadores, Yuhei Miyauchi, et al., publicaram seu artigo sobre a modificação da dimensionalidade dos nanotubos de carbono em uma edição recente da Nature Photonics .

p Sob uma corrente elétrica aplicada ou irradiação de luz, elétrons excitados e lacunas (locais com carga positiva onde os elétrons estão ausentes) são criados, e os nanotubos de carbono emitem luz infravermelha próxima. Nesse processo, elétrons excitados e buracos formam estados ligados chamados excitons, e um fóton é emitido devido à recombinação de um elétron e um buraco durante este processo.

p Como explicam os pesquisadores, o brilho de um nanotubo, ou rendimento quântico de luminescência, é determinado pelo equilíbrio entre as taxas de decaimento radiativo e não radiativo de seus excitons. Em nanotubos, a decadência não radiativa domina, resultando em baixa luminescência. Pesquisas anteriores mostraram que esse decaimento não radiativo se deve principalmente à rápida colisão entre os excitons e os defeitos dos nanotubos, que extingue, ou suprimir, os excitons. Esforços têm sido feitos para reduzir a extinção de defeitos dos excitons, com sucesso variável.

p Contudo, nem todos os defeitos extinguem as excitons. Como os cientistas explicam, defeitos com certas estruturas eletrônicas podem capturar excitons e convertê-los em fótons com uma taxa de decaimento radiativo muito alta, possivelmente ainda maior do que a taxa intrínseca dos excitons. Esses defeitos benéficos funcionam como estados de dimensão zero, e os cientistas os viram como uma oportunidade para melhorar a luminescência dos nanotubos.

p Em experimentos, os pesquisadores doparam esparsamente os nanotubos de carbono com átomos de oxigênio, que atuam como estados de dimensão zero embutidos nos nanotubos unidimensionais. Eles descobriram que, à temperatura ambiente, excitons nos estados de dimensão zero podem atingir um rendimento quântico de luminescência de 18%, uma ordem de magnitude maior do que o valor de 1% daqueles em nanotubos unidimensionais. Os pesquisadores atribuem essa melhoria a mecanismos que reduzem a taxa de decaimento não radiativo e aumentam a taxa de decaimento radiativo, e prever que a luminescência poderia ser melhorada ainda mais.

p "Achamos que a luminescência pode ser aumentada ainda mais se pudermos encontrar uma estrutura atômica local melhor de um estado de dimensão zero artificial, "Miyauchi, pesquisador da Universidade de Kyoto e da Agência de Ciência e Tecnologia do Japão, contado Phys.org . "Neste ponto, nosso estado de dimensão zero tem um estado escuro inferior logo abaixo do estado brilhante, o que resulta em cerca de 50% de redução do rendimento quântico à temperatura ambiente. Se for possível encontrar uma estrutura local melhor, esperamos que seja possível remover este estado escuro abaixo do estado claro. Então, esperamos um aumento adicional da produção de luminescência de excitons no estado local. "

p No futuro, os pesquisadores esperam que os resultados estimulem uma investigação mais aprofundada de sistemas híbridos de dimensão zero a uma dimensão, sobre aplicações, bem como a física fundamental por trás dos sistemas.

p "Pretendemos desenvolver uma técnica mais sofisticada para gerar apenas um estado de dimensão zero em um único nanotubo de carbono suspenso conectado a eletrodos, que é necessário para desenvolver um verdadeiro emissor de fóton único infravermelho próximo operável em temperatura ambiente usando nanotubos de carbono, "Miyauchi disse." Também planejamos tentar obter lasing usando este material. Embora tenha sido considerado muito difícil conseguir lasing usando nanotubos de carbono como meio de ganho por causa da decadência não radiativa muito rápida devido a colisões rápidas entre excitons sob um regime de forte excitação, acreditamos que seria possível usar estados de dimensão zero em nanotubos de carbono, porque excitons em estados de dimensão zero evitariam a colisão com outros excitons.

p "Nossas descobertas também podem levar à fabricação de LEDs ou lasers totalmente em carbono no infravermelho próximo. Fontes de luz no infravermelho próximo são muito importantes para telecomunicações que usam fibras ópticas. Geralmente, são necessários metais menores, como In, Ga, e como, para fabricar emissores de luz para essa faixa de comprimento de onda. Se alguém puder fazer fontes de luz eficientes usando apenas carbono abundante e sem metais menores, seria muito bom do ponto de vista do problema de recursos.

p "We are also very interested in the fundamental physics in these nice hybrid low-dimensional nanostructures, and we will explore another more interesting physics in them that possibly emerges from the interactions between the states with different dimensions in the same nanostructures." p © 2013 Phys.org. Todos os direitos reservados.