光学活性缺陷改善碳纳米管

碳基纳米材料的特性可以通过故意引入某些结构“缺陷”或缺陷来改变和设计。然而，挑战在于控制这些缺陷的数量和类型。就碳纳米管而言——在近红外光中发光的微观小管状化合物——由 Jana Zaumseil 教授领导的海德堡大学的化学家和材料科学家现在已经展示了一种新的反应途径来实现这种缺陷控制。它会导致特定的光学活性缺陷——所谓的 sp3 缺陷——更容易发光并且可以发射单光子，即光粒子。近红外光的有效发射对于电信和生物成像中的应用很重要。

通常缺陷被认为是“坏”的东西，会对材料的特性产生负面影响，使其不那么完美。然而，在某些纳米材料(如碳纳米管)中，这些“缺陷”可能会导致某些“好的”并启用新的功能。在这里，缺陷的精确类型至关重要。碳纳米管由 sp2 碳原子的六边形晶格的卷片组成，因为它们也存在于苯中。这些空心管的直径约为一纳米，长度可达几微米。

通过一定的化学反应，晶格的少数sp2碳原子可以变成sp3碳，在甲烷或金刚石中也有。这改变了碳纳米管的局部电子结构并导致光学活性缺陷. 这些 sp3 缺陷在近红外波段发出的光更远，并且总体上比未功能化的纳米管更发光。由于碳纳米管的几何形状，引入的 sp3 碳原子的精确位置决定了缺陷的光学特性。海德堡大学物理化学研究所教授兼先进材料中心成员 Jana Zaumseil 说：“不幸的是，到目前为止，对形成什么缺陷几乎没有控制。”

海德堡科学家和她的团队最近展示了一种新的化学反应途径，可以控制缺陷并选择性地仅产生一种特定类型的 sp3 缺陷。这些光学活性缺陷比之前引入的任何“缺陷”都“更好”。Zaumseil 教授解释说，它们不仅更发光，而且在室温下也显示出单光子发射。在这个过程中，一次只发射一个光子，这是量子密码学和高度安全的电信的先决条件。

据 Zaumseil 教授研究小组的博士生、报告这些结果的论文的第一作者 Simon Settele 说，这种新的功能化方法 - 亲核加成 - 非常简单，不需要任何特殊设备。“我们才刚刚开始探索潜在的应用。许多化学和光物理方面仍然未知。然而，我们的目标是创造更好的缺陷。”

这项研究是由 Zaumseil 教授领导并由欧洲研究委员会 (ERC) 的 ERC Consolidator Grant 资助的“光电子学单壁碳纳米管中的 Triions 和 sp3-缺陷”(TRIFECTs) 项目的一部分。它的目标是理解和工程师在缺陷的电子和光学性质的碳纳米管。

“这些缺陷之间的化学差异是微妙的，所需的结合构型通常只在少数纳米管中形成。能够生产大量具有特定缺陷和受控缺陷密度的纳米管，为光电器件以及光电子器件铺平了道路。电泵浦单光子源，这是未来量子密码学应用所需要的，”Zaumseil 教授说。

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