Hvordan molekyladsorpsjon påvirker eksiton- og trionenergi i karbonnanorør

I studier av karbonnanorør (CNTs) og deres interaksjoner med molekyler, spesielt CuPc (koproftalocyanin), har molekyladsorpsjon vist seg å ha en betydelig innvirkning på både eksiton- og trionenergi. Eksitoner, som er bundne tilstander av elektron og hull, og trioner, som er bundne tilstander av en elektron, hull og en ekstra elektron, er begge essensielle for forståelsen av optiske egenskaper i nanomaterialer. Når molekyler som CuPc adsorberes på overflaten av CNTs, skjer det en kompleks påvirkning av de mange kroppens interaksjonene som styrer energinivåene til disse eksitonene og trionene.

En av de viktigste observasjonene i slike systemer er hvordan energi- eller spektralforskyvning mellom forskjellige eksitonnivåer (som E11 og E22) kan variere med diameteren på nanorørene, og hvordan molekyladsorpsjon kan endre denne forskyvningen. For eksempel har det blitt beregnet at energiforskjellen mellom E11-eksitonen og trionen (EX-T) for CNTs med en diameter på 1 nm kan være mellom 0,10–0,14 eV, avhengig av om nanorøret er utsatt for molekyladsorpsjon.

Molekyladsorpsjon fører til en signifikant reduksjon i eksitonens selvenergi og bindingen av eksitoner, som vises ved at den gjennomsnittlige energiforskyvningen for E11-eksitonen blir redusert med omtrent 23 % når CuPc er adsorbert på CNTs sammenlignet med nanotuber i luft. Denne reduksjonen i energi kan forstås som en skjermingseffekt der molekylene reduserer de sterke Coulomb-interaksjonene som normalt er til stede mellom elektronene og hullene i eksitonene. Denne skjermingen fører til en betydelig endring i både intensitet og energifordeling for eksiton- og trionutslippene.

Eksitonenes energiavhengighet i forhold til diameteren på nanorørene kan beskrives ved en lineær skaleringsrelasjon, hvor eksitonen-trion energiforskyvningen (EX-T) avhenger av den spesifikke dielektriske skjermingen som påføres av molekylene. For CNTs som har molekyler adsorbert på overflaten, kan energiforskyvningen mellom E11 og EX-T generelt modelleres som en funksjon av diameteren på nanorørene, og denne avhengigheten kan hjelpe forskere med å forstå hvordan den molekylære skjermingen endrer de optiske egenskapene på tvers av forskjellige nanomaterialer.

Trioner dannes når et ekstra elektron bindes til et eksiton, og deres energiforskyvning kan være et viktig verktøy for å forstå samspillet mellom ladningsoverføringen mellom molekyler som CuPc og karbonnanorør. I eksperimentene ble det funnet en god korrelasjon mellom energiforskyvningen EX-T og E11, hvor EX-T avtar når E11-energien forskyves mot rødt. Dette fenomenet antyder at det er en universell sammenheng som kan benyttes til å forutsi optiske egenskaper i CNT-systemer under forskjellige betingelser.

Den dielektriske konstanten av omgivelsene spiller en viktig rolle i hvordan de mange kroppens interaksjoner mellom ladde partikler i CNTs blir endret. Hvis molekyladsorpsjonen kan tilpasse denne dielektriske konstanten, kan den potensielt tillate en kontrollert tunbarhet av eksiton- og trionenergiene i CNT-materialer. I eksperimentene ble det observert at molekyladsorpsjon kan skifte E11-energien med omtrent 100 meV, noe som gir fleksibilitet i hvordan disse materialene kan tilpasses for spesifikke optiske applikasjoner.

I tillegg til disse resultatene viser dataene en generell trend der størrelsen på trion-eksiton-energiskillet kan beskrives ved en lineær relasjon som er sensitiv for nanorørets diameter og molekylskjermingens innvirkning på de mange kroppens interaksjoner. Dette er en viktig forståelse, da det gir innsikt i hvordan små justeringer i molekyladsorpsjon kan føre til store endringer i de elektroniske og optiske egenskapene til CNTs.

Hvordan Pentacene-dekorasjon på Karbon Nanotuber Påvirker Eksiton-dynamikk og Én-Foton Utslipp

Studier av eksitondynamikk i karbon-nanotuber (CNT) som er dekorert med pentacene, har gitt innsikt i hvordan slike dekorasjoner kan endre optiske egenskaper som eksitonlivstid, foton-korrelasjon og intensitet i fotoluminesens. Et viktig funn er hvordan effekten av pentacene-dekorasjon manifesterer seg i to hovedaspekter: effektivitetsøkning i eksiton-trapping og fremme av én-foton utslipp.

Et fenomen som også ble observert er den raske prosessen av eksiton-trapping og utløsing. Dette antyder at eksitonene, i scenarioer der de rekombinerer raskere enn de engasjerer seg i fangst- og utløsningsprosesser, skulle ha en svakere intensitet i den dekorert regionen. Imidlertid, på grunn av den relativt små diameteren til pentacene-partiklene (<100 nm) i forhold til størrelsen på laserpunktet (1 µm), observeres en relativt lys sterk dekorert peak i PLE-kartet. Dette tyder på at fangsten av eksitoner er raskere enn den vanlige rekombinasjonen, og dermed øker intensiteten til den dekorerte emisjonspeaken.

Videre ble foton-korrelasjonmålinger utført på den dekorerte regionen, der intensitetskorrigeringen for forskjellige tidsforsinkelser ble analysert. Resultatet fra en typisk foton-korrelasjonshistogram, for eksempel ved pulset effekt på 10 nW, avslører en 2. ordens intensitetskorrigering (g(2)(0)) på 0,48, som indikerer at det er en betydelig sannsynlighet for at emisjonen skjer som en enkelt foton ved romtemperatur. Dette er et viktig funn i forbindelse med optiske kommunikasjons- og kvanteberegningsapplikasjoner, der én-foton emisjon er avgjørende.

Den teoretiske beskrivelsen av eksiton-fangst og utløsningsdynamikk kan analyseres gjennom en Boltzmann-faktor som relaterer fangst- og utløsningshastigheter til energiforskjellen mellom de dekorerte og u-dekorerte tilstandene. Med en estimert energiforskjell på 17 meV, beregnes forholdet mellom fangst- og utløsningsraten til 1,9 ved romtemperatur. Dette tyder på at pentacene skaper et potensielt vel som kan indusere eksiton-fangst ved romtemperatur.

Videre vurdering av eksiton-populasjonsforholdet basert på emisjonspekområder mellom de dekorerte og u-dekorerte tilstandene viser et forhold på 1,4. Dette er relativt nært det beregnede forholdet på 1,9, som gir ytterligere validitet til fangst-beregningene. Imidlertid kan en lavere kvanteeffektivitet i den dekorerte peaken forklare den mindre avviket. Det er også viktig å merke seg at eksiton-diffusjon kan bli begrenset i tynt molekylære filmer i den u-dekorerte regionen, noe som kan påvirke resultatene. På tross av disse begrensningene, har observasjonene av antibunching i foton-korrelasjonsmålingene i de fleste tilfeller vist seg å være robust, og noen CNT-er med dekorasjoner har vist enda lavere g(2)(0)-verdier enn luft-suspenderte CNT-er, noe som bekrefter at pentacene-dekorasjonen kan fremme sterkere foton-antibunching.

Dette fenomenet kan i stor grad åpne muligheter for utvikling av kvante-optiske enheter med høy effektivitet, som kvante-minne eller enheter som er i stand til å håndtere entanglement. Samlet sett har studiene vist hvordan pentacene-dekorasjon kan være en kraftig teknikk for å forbedre eksitonisk diffusjon og fremme én-foton utslipp ved romtemperatur i CNT-er, og kan derfor bidra til fremtidens nanoteknologiske applikasjoner i optikk og kvantefysikk.