Gli effetti dell'adsorbimento molecolare sugli eccitoni nei nanotubi di carbonio sospesi nell'aria

Negli ultimi anni, è stato condotto un ampio lavoro teorico ed esperimentale che ha portato allo sviluppo di dispositivi fotonici innovativi, tecniche di fabbricazione ad alta risoluzione, conversione di energia altamente efficiente e nuove modalità di elaborazione dell'informazione. Modelli teorici avanzati che descrivono l'interazione luce-materia su scala nanometrica sono stati elaborati, contribuendo significativamente all'avanzamento del campo della nanofotonica. Questo capitolo si concentra sugli effetti dell'adsorbimento molecolare sugli eccitoni nei nanotubi di carbonio sospesi nell'aria, esplorando come le molecole adsorbite influenzino le proprietà ottiche e il comportamento quantistico degli eccitoni in questi materiali.

Tuttavia, le proprietà di emissione dei nanotubi di carbonio sono estremamente sensibili alla schermatura ambientale, dovuta alla loro natura atomi-sottile, il che rende fondamentale comprendere gli effetti dell'ambiente per applicazioni legate agli emettitori quantistici. Gli effetti della schermatura dielettrica provocano una varietà di energie di emissione osservabili in diversi sistemi, come i fasci di nanotubi, i nanotubi avvolti da tensioattivi, i nanotubi avvolti da DNA e i nanotubi sospesi nell'aria. Nonostante i nanotubi sospesi nell'aria siano meno influenzati da questi effetti di schermatura rispetto ad altri sistemi, anche per questi ultimi gli eccitoni sono notevolmente influenzati dalle molecole adsorbite.

Oltre all'acqua, anche le molecole organiche, come quelle della ftalocianina, possono essere adsorbite sui nanotubi, dove provocano effetti significativi come il rafforzamento della schermatura e il trasferimento di carica. Inoltre, l'adsorbimento di molecole di pentacene modifica l'emissione di fotoni singoli, creando potenziali locali che influiscono sulle proprietà ottiche dei nanotubi. Tali modifiche possono essere cruciali per il miglioramento delle prestazioni di dispositivi come i laser a base di nanotubi o le strutture quantistiche per l'informazione ottica.

Per comprendere appieno il comportamento degli eccitoni nei nanotubi di carbonio sospesi nell'aria, è necessaria una comprensione approfondita degli effetti ambientali e delle interazioni tra molecole adsorbite e la struttura del nanotubo. Gli esperimenti di spettroscopia di fotoluminescenza sono fondamentali per monitorare direttamente le energie degli eccitoni e ottenere informazioni dettagliate sui cambiamenti provocati dall'adsorbimento molecolare.

Infine, va notato che la comprensione degli effetti dell'adsorbimento molecolare non solo amplia le nostre conoscenze sulla fisica dei materiali a livello nanometrico, ma apre anche nuove opportunità per il controllo e la manipolazione degli emettitori di singoli fotoni, fondamentali per lo sviluppo delle tecnologie quantistiche future. Gli approcci descritti in questo capitolo sono essenziali per l'ottimizzazione e l'innovazione dei dispositivi fotonici su scala nanometrica, specialmente quelli destinati alle applicazioni in cui il controllo preciso delle proprietà ottiche è cruciale, come nei sensori chimici o nei sistemi di memoria quantistica.

Qual è l'effetto dell'adsorbimento di molecole d'acqua sugli eccitoni nei nanotubi?

L'adsorbimento d'acqua causa una transizione dal "pristine state" (stato privo di adsorbenti) allo "adsorbed state" (stato con molecole adsorbite), con un abbassamento delle energie di eccitazione delle risonanze eccitoniche, come evidenziato dal redshift nelle mappe PLE. Le spettroscopie effettuate su nanotubi di carbonio con diverse chiralità hanno mostrato variazioni nelle energie di emissione a seguito dell'interazione con molecole di acqua, e si è osservato che questo processo segue una dinamica temporale che può essere quantitativamente descritta tramite una funzione di Boltzmann. Questo tipo di misurazione permette di caratterizzare con precisione il ritardo temporale del processo di adsorbimento, così come le transizioni energetiche degli eccitoni.

La sintesi dei nanotubi per questi esperimenti prevede l'uso di tecniche avanzate come la litografia a fascio elettronico e il deposito di metallo tramite sputtering su substrati di silicio. Successivamente, vengono utilizzati catalizzatori, come il Fe(III) acetilacetonato, per la crescita dei nanotubi mediante la deposizione chimica da vapore di alcol (CVD) a 800°C. I nanotubi sospesi nell'aria vengono poi misurati con un sistema confocale automatizzato per la raccolta di spettri PL a temperatura ambiente, utilizzando un laser Ti:sapphire continuo.

Per misurare il tempo di adsorbimento dell'acqua, sono stati raccolti dati temporali delle spettrali PL per un nanotubo (9, 7) su un periodo di diverse ore. I risultati mostrano una transizione graduale dell'energia E11 da uno stato privo di molecole adsorbite a uno stato redshiftato dopo circa un'ora, con l'energia che si stabilizza a circa 0,96 eV. Questo processo è stato modellato con una funzione di Boltzmann, che ha fornito una buona corrispondenza con i dati sperimentali, confermando la dinamica del processo di adsorbimento dell'acqua. Le curve di fitting, ottenute tramite analisi dei dati, sono utili per caratterizzare il ritardo temporale e la transizione energetica durante l'adsorbimento.

Un altro aspetto interessante riguarda la larghezza della linea di emissione (linewidth) durante il processo di adsorbimento. Sebbene si osservi un allargamento della linea durante la fase transitoria, la larghezza della linea a piena altezza (FWHM) non mostra differenze significative tra lo stato privo di molecole e quello adsorbito. Questo suggerisce che l'adsorbimento di molecole d'acqua non introduce nuovi processi di de-fase che influenzano significativamente la de-coerenza degli eccitoni.

Infine, è cruciale comprendere che l'adsorbimento di molecole come l'acqua sui nanotubi di carbonio non solo modifica le proprietà elettroniche, ma può anche avere un impatto significativo su applicazioni pratiche come la memoria ottica e il controllo ottico del accoppiamento tra cavità nanomeccaniche e nanotubi. La sensibilità degli eccitoni agli adsorbenti offre un'opportunità per sviluppare dispositivi innovativi che sfruttano questi effetti per operazioni all-optical.