Hur organiska molekyler påverkar excitoners energilandskap och kvantemission i kolnanorör

Organiska molekyler har en betydande inverkan på elektroniska och optiska egenskaper hos kolnanorör (CNTs), särskilt när det gäller exciterade tillstånd som excitoner och trioner. Vid adsorbering av organiska molekyler på CNTs kan det uppstå kraftiga modifieringar av energiövergångarna, vilket har praktiska tillämpningar inom utvecklingen av nanoskaliga enheter och kvantteknologi.

Trionemissionen, som vanligtvis är ett resultat av laddningsöverföring mellan CNTs och molekyler som CuPc, uppträder vid en lägre energi än .E11 excitonemissionen. Detta tyder på att de adsorberade molekylerna inte bara modifierar energiövergångarna utan även möjliggör interaktioner som leder till trionbildning, ett viktigt fenomen för utvecklingen av nya optoelektroniska enheter. Genom att analysera spektroskopiska data från individuella CNTs kan man observera att energiskillnaden mellan exciton- och trionemission är starkt korrelerad med den ursprungliga excitonenergin. Detta kan modelleras med en kraftlagsskalning som tar hänsyn till många-kroppsinteraktioner och dielektriska konstanten.

Pentacenpartiklar bidrar också till att förbättra foton-antibunching-egenskaperna, vilket innebär att de är mycket effektiva för att skapa singelfoton-källor. Detta är en viktig aspekt för utvecklingen av enheter för kvantinformation, där kontroll av singelfotonemission är avgörande. Genom att ändra det lokala energilandskapet för excitoner med hjälp av organiska molekyler, som pentacen, öppnar man upp nya vägar för att manipulera och kontrollera kvantoptiska egenskaper hos CNTs. De experimentella metoderna som används för att karakterisera dessa effekter innefattar avancerad spektroskopi, inklusive tid-upplöst PL och fotonkorrelationsmätningar, som gör det möjligt att noggrant mäta emissionsegenskaperna och förstå de underliggande processerna.

Det är också viktigt att förstå hur dessa molekylära modifieringar kan styras och optimeras för olika typer av CNTs. Exempelvis påverkar CNTs chiralitet förmågan hos pentacen att adsorbera och modifiera excitoner. CNTs med större chiralvinklar, som större än 20°, har en högre sannolikhet att adsorbera pentacenpartiklar, vilket gör att dessa material kan utnyttjas på ett mer effektivt sätt beroende på deras strukturella egenskaper.

Hur vattenadsorption påverkar excitoner i luftupphängda kolnanorör

I den här studien undersöks effekten av molekyladsorption på excitoner i luftupphängda kolnanorör (CNTs), särskilt fokuserat på vattenmolekyler. Excitoner, som är bundna tillstånd av elektron-hålpar i semikonduktorer, påverkas av adsorberade molekyler genom skärmningseffekter. Dessa skärmningseffekter leder till förändringar i den optiska spektrumet för nanotuberna. Tidigare studier har visat att både temperaturberoende och effekten av ljusexponering kan orsaka spektrala förändringar, vilket till stor del har förklarats genom molekylär desorption vid uppvärmning. Dock har mer kontrollerade mätningar visat att vattenadsorption är den mest troliga orsaken till dessa spektrala förändringar, särskilt när det gäller CNTs i luftupphängning.

Följaktligen har användningen av fotoluminiscens (PL) excitation spektroskopi visat sig vara en effektiv metod för att observera dessa excitoniska energiförändringar. Genom att spåra tidsberoende förändringar i PL-spektrumet från individuella CNTs har vi kunnat identifiera specifika övergångar i emissionsenergin när molekyler adsorberas. En tydlig transition till det adsorberade tillståndet sker efter en viss tidsfördröjning, och det finns ett direkt samband mellan fördröjningen och emissionsenergin. Denna fördröjning är av betydelse för att kvantitativt beskriva vattenadsorptionsprocessen.

Det visade sig att vattenadsorption inte bara påverkar den energinivå där exciterade tillstånd förekommer, utan också att den är beroende av rörens krökning. För att undersöka dessa effekter i detalj, användes en optisk uppställning som möjliggör exakt mätning av PL på enskilda CNTs. Detta inkluderade användning av en kontinuerlig våglängdsspecifik Ti:safirstenslasare för excitation, vilket gjorde det möjligt att detaljerat observera förändringar i nanotubernas optiska spektrum både före och efter vattenadsorption.

I experimentet mättes effekten av vattenadsorption genom att först värma proverna i en argonatmosfär med en liten mängd väte, vilket säkerställde att proverna var i sitt "rena" tillstånd. Efter att proverna exponerades för vattenmolekyler genomfördes PL-excitation mätningar som visade på en betydande rödskiftning av både E11- och E22-resonansen. Dessa förändringar är en indikation på att molekyler har adsorberats på ytan av nanotuberna, vilket resulterar i spektrala förändringar.

För att kvantifiera tidsfördröjningen mellan adsorptionsprocessen och dess effekt på nanotubens optiska egenskaper, analyserades de uppmätta PL-spektrumen med hjälp av en Boltzmann-funktion. Denna analys gav oss ett detaljerat perspektiv på de tidsskala som är involverade i adsorptionen av vattenmolekyler. Vi observerade en jämn övergång från den ursprungliga till den adsorberade tillståndet, där E11-energiresonansen gradvis rödskiftade över en period på cirka en timme.

Vidare visade analyser av rör med olika kicelitet att både delaytiden och förändringarna i emissionsenergin varierade beroende på nanotubens struktur. Detta innebär att både nanotubens geometri och dess chirality påverkar den specifika tidsdynamiken vid molekyladsorption.

När man överväger dessa resultat är det tydligt att molekyladsorption inte bara är en enkel fenomen utan en dynamisk process som kan ge upphov till olika spektrala förändringar beroende på nanotubens fysiska och kemiska miljö. Detta har stor betydelse för de tillämpningar som är inriktade på optisk lagring och manipulation av excitoniska tillstånd i nanomaterial. Vattenmolekyler, som en vanligt förekommande adsorberande substans, spelar en avgörande roll i att förändra de optiska och elektroniska egenskaperna hos dessa material.

Slutligen är det värt att beakta att dessa effekter av vattenadsorption inte bara är relevanta för grundläggande förståelse av nanotubers optiska egenskaper utan också för utvecklingen av nästa generations nanoteknologiska enheter. Det är av vikt att i framtida studier även undersöka andra typer av molekyler som kan adsorberas på CNTs och hur dessa påverkar nanotubens excitoniska tillstånd i olika miljöer.

Hur kan stimuli-responsiva färger förändra optiska enheter?

Färgsystem som använder strukturella element har blivit allt viktigare i utvecklingen av optiska identifieringssystem. Förutom deras statiska färgstyrkor har tvådimensionella (2D) material visat sig vara utmärkta kandidater för att dynamiskt justera färgen på redan existerande färgade strukturer genom extern excitation. Detta öppnar nya möjligheter för skapandet av färgändringsmekanismer som kan aktiveras av olika stimuli, vilket leder till färger som kan förändras snabbt och exakt under vissa förhållanden.

Ett av de mest intressanta områdena inom detta fält är stimuli-responsiv färgning, där strukturer i det synliga ljusspektrumet används för att skapa en omedelbar visuell förändring, synlig för blotta ögat. Ett exempel på detta är strukturer som dippas i vätskor. När dessa strukturer öppnas, tränger vätskan in och orsakar en förändring i den brytningsindex, vilket potentiellt kan förändra färgen på den strukturerade ytan. Mer avancerat kan färgändringar också induceras genom externa stimuli som elektriska fält, mekanisk påfrestning eller temperaturförändringar.

Exempel på sådana stimuli-responsiva mekanismer inkluderar användning av funktionella material som magnesium, flytande kristaller, elektro-kromiska polymerer och fasförändringsmaterial. Dessa material kan inducera färgförändringar genom att ändra både de verkliga och imaginära delarna av brytningsindexet, som i fallet med metallydrider och elektro-kromiska polymerer, eller enbart genom förändringar i den verkliga delen, som för flytande kristaller. För mer komplexa strukturer, som elektrokemiska depositioner, kan färgändringar också uppnås genom att ändra storleken på partiklarna i materialet.

Discontinuerade strukturer på submikronskala, såsom de som utnyttjar lokaliserade ytplasmoner eller Mie-resonanser, är också av stor betydelse för utvecklingen av artificiella färgade strukturer. Dessa strukturer möjliggör en högre grad av färgkontroll och kan användas för att skapa väldigt precisa och intensiva färgade mönster. Dock har det visat sig vara svårt att tillverka sådana strukturer på stor skala, vilket är en utmaning som fortfarande måste lösas innan de kan användas effektivt i tillämpningar som optisk identifiering.

Ett framsteg inom detta område har varit utvecklingen av discontinuous metallfilmer i 1D, som har visat sig kunna justera färger över hela det synliga spektrumet genom att manipulera Fano-linjeformer. Detta innebär att symmetri-brytande färgning kan uppnås genom att ljuset endast transmitteras i den ena riktningen, medan effektiv färgning observeras i den motsatta riktningen. Detta tillvägagångssätt är kompatibelt med etablerade tillverkningstekniker som interferenslitografi och roll-to-roll-metoder.

Trots dessa framsteg finns det fortfarande flera öppna frågor som forskare och ingenjörer måste ta itu med. För det första måste tillverkningen av dessa strukturer på mikroskala förbättras för att kunna produceras i stor skala, vilket skulle minska kostnaderna och öka hastigheten på tillverkningen. För det andra finns det fortfarande tekniska utmaningar när det gäller att integrera material med hög brytningsindex, särskilt 2D-material, vilket anses vara en potentiell nyckel för att optimera färgkontrollen. En annan utmaning är att skapa verkligen diskontinuerade, tydligt definierade nanometriska strukturer, vilket är avgörande för att uppnå en högre nivå av kontroll över färgerna.

Den största potentialen för framtiden ligger i att utveckla kostnadseffektiva och miljövänliga massproduktionstekniker. Dessa tekniker skulle kunna möjliggöra en bredare användning av strukturella färger i applikationer där färgförändringar är en viktig funktion, som till exempel i optiska säkerhetsfunktioner och identifieringssystem. En sådan utveckling skulle inte bara revolutionera sättet vi tänker på färg i teknik, utan också möjliggöra en mer hållbar framtid genom att minska beroendet av traditionella färgämnen och pigment.