(Phys.org) - Apesar de seu tamanho quase incompreensivelmente pequeno - um diâmetro de cerca de um décimo milésimo da espessura de um cabelo humano - os nanotubos de carbono de parede única vêm em uma infinidade de diferentes "espécies, "cada um com sua própria estrutura e combinação única de propriedades eletrônicas e ópticas. A caracterização da estrutura e das propriedades de um nanotubo de carbono individual envolveu muitas suposições - até agora.

Pesquisadores do Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) do Departamento de Energia dos Estados Unidos (DOE) e da University of California (UC) Berkeley desenvolveram uma técnica que pode ser usada para identificar a estrutura de um nanotubo de carbono individual e caracterizar seu sistema eletrônico e propriedades ópticas em um dispositivo funcional.

"Usando uma nova configuração de microscopia óptica baseada em polarização de alto contraste, demonstramos imagens de taxa de vídeo e espectroscopia in situ de nanotubos de carbono individuais em vários substratos e em dispositivos funcionais, "diz Feng Wang, um físico de matéria condensada da Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab. "Pela primeira vez, podemos obter imagens e espectros de nanotubos individuais em um ambiente geral, incluindo em substratos ou em dispositivos funcionais, que deve ser uma ótima ferramenta para o avanço da tecnologia de nanotubos. "

Wang, que também é professor do Departamento de Física da UC Berkeley, é o autor correspondente de um artigo que descreve esta pesquisa na revista Nature Nanotechnology . O artigo é intitulado "Imagens ópticas de alto rendimento e espectroscopia de nanotubos de carbono individuais em dispositivos". Os co-autores são Kaihui Liu, Xiaoping Hong, Qin Zhou, Chenhao Jin, Jinghua Li, Weiwei Zhou, Jie Liu, Enge Wang e Alex Zettl.

Um nanotubo de carbono de parede única pode ser metálico ou semicondutor, dependendo de sua estrutura exata. Nanotubos semicondutores podem ter bandgaps eletrônicos muito diferentes, resultando em propriedades eletrônicas ou ópticas totalmente diferentes.

"Para entender completamente os dispositivos de efeito de campo ou dispositivos optoeletrônicos feitos de nanotubos de carbono de parede única, é fundamental saber que espécie de nanotubo de carbono está no dispositivo, "Diz Wang." No passado, tais informações não puderam ser obtidas e os pesquisadores tiveram que adivinhar o que estava acontecendo. "

A estrutura física e as propriedades eletrônicas de cada espécie individual de nanotubos de carbono de parede única são governadas pela quiralidade, o que significa que sua estrutura tem uma orientação esquerda / direita distinta ou "lateralidade, "que não pode ser sobreposta em uma imagem espelhada. Como resultado, alcançar o crescimento controlado por quiralidade de nanotubos de carbono e compreender a física por trás de dispositivos dependentes de quiralidade são dois dos maiores desafios na pesquisa de nanotubos.

"As técnicas de microscopia óptica e espectroscopia baseadas em polarização são adequadas para enfrentar esses desafios, como a luz polarizada é extremamente sensível à anisotropia óptica em um sistema e tem sido explorada para estudar a quiralidade em moléculas e cristais, "Diz Wang." No entanto, o sinal pequeno e o fundo do ambiente inevitável dificultaram o uso de microscopia óptica polarizada para estudar nanotubos de carbono individuais. "

As dificuldades surgem de uma aparente contradição na microscopia óptica baseada em polarização. Para qualquer microscópio óptico, uma objetiva de grande abertura numérica (NA) é crucial para a alta resolução espacial, mas a luz polarizada que passa por uma grande objetiva de NA torna-se fortemente despolarizada. Com sua nova técnica, Wang e seus colegas conseguiram fazer o que não havia sido feito antes e, simultaneamente, atingir alta polarização e alta resolução espacial.

"A chave do nosso sucesso foi perceber que a iluminação e a coleta de luz podem ser controladas separadamente, "Diz Wang." Usamos uma grande objetiva de NA para coleta de luz para obter alta resolução espacial, mas foram capazes de criar uma objetiva de NA efetivamente pequena para iluminação, a fim de manter a pureza de alta polarização. "

Em sua configuração, Wang e seus colegas coletaram luz polarizada espalhada por nanotubos com uma objetiva de 0,8 NA, mas usaram um feixe incidente muito mais estreito para criar luz de iluminação de um laser supercontínuo com um NA muito menor. O resultado foi uma polarização em uma ordem de magnitude maior do que a obtida com a microscopia polarizada convencional e resolução espacial em nanoescala. Isso permitiu que eles obtivessem perfis de quiralidade completos de centenas de nanotubos de carbono crescidos, e para realizar monitoramento in-situ em dispositivos de efeito de campo ativos.

"Observamos que as ressonâncias ópticas de nanotubos de alta ordem são dramaticamente ampliadas pelo dopagem eletrostática, um comportamento inesperado que aponta para fortes processos de espalhamento elétron-elétron inter-bandas dominando a dinâmica ultrarrápida de estados excitados em nanotubos de carbono, "Wang diz.

Além de nanotubos de carbono individuais de parede única, Wang e seus colegas dizem que sua técnica também pode ser usada para aumentar significativamente o contraste óptico de outros materiais anisotrópicos de nano-tamanho que são "invisíveis" aos microscópios ópticos convencionais, incluindo nanofitas de grafeno, nanofios semicondutores e nanobastões, e nanobiomateriais, como filamentos de actina.