Три плюс два: физики определили тип квазичастиц в полупроводниковых углеродных нанотрубках — Naked Science
11 минут
ФизТех

Три плюс два: физики определили тип квазичастиц в полупроводниковых углеродных нанотрубках

Ученые из Института общей физики имени А. М. Прохорова РАН и МФТИ совместно с коллегами исследовали влияние «ловушек» на оптические свойства углеродных нанотрубок.

Углеродные нанотрубки / ©Пресс-служба МФТИ

При обработке соляной кислотой на поверхности трубок остаются отдельные атомы водорода. Они не образуют химических связей с поверхностью, и, значит, не вносят дефекты в структуру нанотрубки. Эти атомы служат «ловушками» — попавшая в их зону влияния квазичастица не может «сбежать» (становится локализованной). Основываясь на данных, полученных методами спектроскопии, физики пришли к выводу — в «ловушку» попались экситон (состоит из электрона и «дырки») и трион (экситон, к которому присоединились еще одна дырка или электрон). Результаты опубликованы в журнале Scientific reports.

Углеродные нанотрубки — легкий и прочный материал, перспективный со многих точек зрения. Пленки из углеродных нанотрубок с полупроводниковой проводимостью в будущем способны заменить оксид индия-олова — твердый прозрачный материал, который уже 60 лет используется для создания прозрачных электродов. Без редкоземельного индия дисплеи и сенсорные экраны станут дешевле, и кроме того, их можно будет без вреда сгибать и сворачивать.

За переключение пикселей на гибком экране отвечают тонкопленочные транзисторы. Чем быстрее заряд способен двигаться в материале, тем быстрее реагируют транзисторы и тем оперативнее отклик экрана. Для описания процессов переноса зарядов в полупроводниках физики ввели понятие «квазичастица». Примером может служить «дырка» — оставшееся после отрыва электрона свободное место на орбитали атома. Квазичастица экситон (от латинского «возбуждаю») представляет собой пару «электрон — дырка», которая движется, будто частицы «привязаны» друг к другу. Если к экситону присоединяется еще одна частица, получается трион.

Чтобы исследовать квазичастицы, ученые добавляли в водную суспензию углеродных нанотрубок с полупроводниковой проводимостью соляную кислоту. Далее авторы исследовали спектры поглощения суспензий с разным количеством соляной кислоты. Чем выше была концентрация кислоты, тем больше формировалось «ловушек» — осевших на поверхности трубок атомов водорода — и тем больше в них попадалось экситонов и трионов.

Энергия нанотрубок может принимать только определенные значения. Уровни энергии похожи на полки шкафа — книгу можно поставить на вторую или десятую, но нельзя на 9¾. Физики получают спектр поглощения, воздействуя на вещество излучением: если энергия, которую фотон может передать частице при столкновении, совпадает с «расстоянием между полками», частица поглощает его и переходит на более высокий уровень. Меняя длину волны падающего излучения, можно определить, когда оно поглощается веществом сильнее, и выяснить расположение «полок».

Кроме того, ученые исследовали спектры фотолюминесценции. При этом методе частицы переходят в возбужденное состояние под влиянием излучения, а затем возвращаются в исходное, испуская фотон (следуя аналогии, мы заталкиваем книги на верхние полки, а потом регистрируем шум от их падения на нижние). Ученые отметили, что с увеличением числа осевших на трубке атомов водорода снижается количество экситонов. Зато появляется новый энергетический переход, обозначенный как Х-полоса. Этот переход заметен также и на спектрах поглощения (рисунок 1). Исследователи предположили, что он соответствует попавшим в «ловушки» частицам.

Рисунок 1. Спектры а) поглощения и б) фотолюминесценции нанотрубок в зависимости от концентрации соляной кислоты / ©Пресс-служба МФТИ

Вышеописанные методы не позволяют отдельно рассматривать энергетические переходы, разделенные очень малыми промежутками времени (порядка 10-12 секунд), — они сливаются, и в итоге непонятно, какие именно частицы находятся в «ловушке». Поэтому далее спектры исследовали с помощью метода возбуждения-зондирования (pump-probe spectroscopy). Прибор испускает одновременно два лазерных луча, один из которых идет по короткому пути (импульс возбуждения), а другой — по длинному, и из-за этого слегка отстает (импульс зондирования). Длительность лазерного импульса составляет 10-15–10-12 секунд. С помощью заслонки исследователи блокировали каждый второй импульс возбуждения, таким образом измеряя разность поглощения света образцом в возбужденном (заслонка открыта) и невозбужденном (закрыта) состояниях. Меняя задержку между импульсами возбуждения и зондирования, ученые узнали, как эта разность меняется со временем (рисунок 2).

Рисунок 2. Схема метода возбуждения-зондирования / ©А. С. Мерещенко, «Методы оптической спектроскопии с временным разрешением» / Пресс-служба МФТИ

Обработка полученной этим методом информации позволила выделить энергетические уровни, формирующиеся через разное время после импульса (обозначены E1, X и Т, рисунок 3). Первые два соответствуют образованию экситона, свободного и пойманного в протонную ловушку (так как интенсивность X-полосы повышается при увеличении концентрации соляной кислоты). Третий формируется через заметное время (примерно одну пикосекунду) после формирования экситонных уровней, исходя из чего авторы связали его с образованием в «ловушке» новой квазичастицы, триона.

«Допированные одностенные углеродные нанотрубки уже продемонстрировали ранее свои уникальные свойства в качестве проводящих прозрачных электродов. В этой работе в таких нанотрубках мы выявили многочастичные оптические возбуждения и выяснили механизмы миграции энергии. Развитие этого направления открывает новые перспективы для нелинейной оптики», — сообщил один из авторов работы Тимофей Ерёмин, младший научный сотрудник лаборатории наноуглеродных материалов МФТИ.

Рисунок 3. Энергетические уровни и переходы между ними / ©Пресс-служба МФТИ

Полученные данные способствуют более глубокому пониманию энергетической структуры углеродных нанотрубок с внесенными примесями, что важно не только с фундаментальной, но и с практической точки зрения. В дальнейшем ученые планируют исследовать уровни энергии углеродных нанотрубок с различными типами «ловушек».

Работа выполнена коллективом ученых из МФТИ, Института общей физики имени А. М. Прохорова РАН, МГУ, МИФИ, ФТИ имени Иоффе, а также университета Восточной Финляндии. 

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
ФизТех
186 статей
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.
9 часов назад
9 минут
Мария Азарова

Будут ли в России осенью вновь вводить ограничения по Covid-19? Есть ли люди, перенесшие коронавирус, но организм которых почему-то не выработал антитела? На эти и многие другие вопросы попытался ответить российский ученый-медик Арег Тотолян.

11 часов назад
4 минуты
Илья Ведмеденко

Соединенные Штаты провели новые тесты гиперзвуковой ракеты AGM-183A ARRW. На представленных фотографиях можно детально рассмотреть перспективное изделие.

Сегодня, 09:59
4 минуты
Сергей Васильев

Эксперименты показали, что кошки могут передавать SARS-CoV-2 друг другу, что создает новый и потенциально важный канал распространения вируса и среди людей — через их домашних животных.

6 августа
31 минута
Николай Цыгикало

Трагическая новость о взрыве огромной силы в Бейруте, занявшая первые строчки новостных ресурсов, вызывает естественные вопросы: как это могло произойти, что там взорвалось, в силу каких факторов возможны подобные происшествия? Чтобы разобраться, взглянем пристальнее на свойства аммиачной селитры и связанные с ней опасные моменты.

6 августа
5 минут
Денис Гордеев

Новая система работает в любых атмосферных условиях — при дожде, ветре и большом количестве пыли в воздухе.

9 часов назад
9 минут
Мария Азарова

Будут ли в России осенью вновь вводить ограничения по Covid-19? Есть ли люди, перенесшие коронавирус, но организм которых почему-то не выработал антитела? На эти и многие другие вопросы попытался ответить российский ученый-медик Арег Тотолян.

22 июля
66 минут
Александр Березин

С 2064 года численность людей начнет сокращаться — и этот процесс может быть необратим. Один из авторов соответствующей научной работы прямо указывает: если ничего не изменится, через несколько веков человечество вымрет. Однако есть вещи и похуже вымирания. Куда вероятнее иной сценарий: мир будет заселен теми, кто сможет размножаться в новых культурных условиях. К сожалению, значительная часть современных европейцев, американцев и, возможно, других народов будут вытеснены с первых страниц истории. Вдобавок те, кто победят в этой непростой борьбе, нам, сегодняшнему населению Земли, могут сильно не понравиться. Попробуем разобраться почему.

12 июля
28 минут
Илья Ведмеденко

Программа ПАК ДП (перспективный авиационный комплекс дальнего перехвата) привлекает к себе все больше внимания. Разберемся, что это такое и появится ли у России новый боевой самолет.

31 июля
9 минут
Sergei Sobol

Сейчас, когда многие вокруг задумываются, а не попробовать ли что-то новое и не сменить ли профессию, программирование точно одно из тех направлений, к которому стоит присмотреться. Может, вы об этом уже думали?

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Лучшие материалы
Предстоящие мероприятия
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: