Углеродные нанотрубки рекламируются как исключительные материалы с уникальными свойствами, которые обеспечивают чрезвычайно эффективный перенос заряда и энергии, что может открыть путь для новых, более эффективных типов электронных и фотоэлектрических устройств. Однако эти ловушки или дефекты в ультратонких нанотрубках могут снизить их эффективность.
Используя специально построенный микроскоп, способный отображать материю в атомном масштабе, исследователи смогли визуализировать ловушки, которые могут отрицательно повлиять на поток электронов и элементарные пакеты энергии, называемые экситонами.По словам Джорджа В. Назина, профессора физической химии, в исследовании смоделировано поведение, часто наблюдаемое в электронных устройствах на основе углеродных нанотрубок, где электронные ловушки создаются стохастическими внешними зарядами в непосредственной близости от нанотрубок.
Внешние заряды притягивают и захватывают электроны, распространяющиеся через нанотрубки.«Наша визуализация должна быть полезна для разработки более точной картины распространения электронов через нанотрубки в реальных приложениях, где нанотрубки всегда подвергаются внешним возмущениям, которые потенциально могут привести к созданию этих ловушек», — сказал он.Исследование, подробно описанное в статье в Journal of Physical Chemistry Letters, проводилось с помощью сверхвысоковакуумного сканирующего туннельного микроскопа, соединенного с криостатом замкнутого цикла — нового устройства, созданного для использования в лаборатории Назина.
Криостат позволил Назину и его соавторам Дмитрию А. Кислицыну и Джейсону Д. Хакли, докторантам, снизить температуру до 20 Кельвинов, чтобы заморозить все наноразмерные движения и визуализировать внутренние структуры наноразмерных объектов.Устройство зафиксировало внутреннюю структуру электронных волн, захваченных короткими отрезками, всего несколько нанометров длиной, нанотрубок, частично подвешенных над атомарно плоской поверхностью золота.
По словам Назина, свойства волн в значительной степени определяют прохождение электронов через такие электронные ловушки. Для эффективной электронной передачи распространяющиеся электроны должны находиться в резонансе с локализованными волнами.«Удивительно, но, точно настроив энергии распространяющихся электронов, мы обнаружили, что в дополнение к этим резонансным каналам передачи возможны и другие резонансы, с энергиями, соответствующими энергиям определенных колебаний в углеродных нанотрубках», — сказал он. «Эти новые каналы передачи соответствуют« вибронным »резонансам, когда захваченные электронные волны возбуждают колебания атомов углерода, образующих электронную ловушку».Микроскоп, который использовала команда, подробно описан отдельно в свободно доступной статье (Высокостабильный криогенный сканирующий туннельный микроскоп на основе криостата замкнутого цикла), размещенной в Интернете 7 октября журналом Review of Scientific Instruments.
Национальный научный фонд (грант DMR-0960211) и грант Орегонского института нанонауки и микротехнологий (ONAMI) поддержали создание микроскопа, используемого в проекте.Соавторами Назина по статье с подробным описанием микроскопа являются Хакли, Кислицын, бывший докторант UO Дэниел К. Биман, ныне работающий в Intel Corp. в Хиллсборо, штат Орегон, и Стефан Ульрих из RHK Technologies Inc. в Трое, штат Мичиган.