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.
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.
Вчера, 12:51
39 минут
Александр Березин

В июне 2020 года канадские астрономы рассчитали, что в Млечном Пути может быть пять миллиардов планет, похожих на Землю и вращающихся вокруг звезд, похожих на Солнце. Однако это лишь видимая часть айсберга обитаемых планет. Дело не только в том, что вокруг звезд других типов их больше: и сами условия на экзопланетах в других системах могут быть куда благоприятнее для жизни, чем у нас с вами. Попробуем понять почему.

Вчера, 10:05
2 минуты
Sergei Sobol

Обращаете внимание, какой творческий подход проявляют дизайнеры при создании электрических мотоциклов? Каждый из них уникален своими особенностями, и наш сегодняшний фаворит – концептуальный электрический байк BMW Motorrad – не исключение. Он создан дизайнером из Валенсии Яго Валино (Iago Valino), вдохновившимся кастомными мотоциклами мастерской El Solitario. А эстетика байка навеяна культовыми мотоциклами Ural, в которые советские инженеры добавили собственный взгляд на традиции BMW.

14 мая
9 минут
РНФ

Лечение онкологических заболеваний стандартным методом химиотерапии не только уничтожает злокачественные клетки, но и повреждает здоровые. Для решения проблемы российские ученые разработали химически «сшитые» вещества, способные избирательно накапливаться в «энергетических станциях» раковых клеток — митохондриях. Липофильный катион транспортирует вещество в клетки, а функционально активный компонент, бетулиновая кислота, провоцирует их гибель. Предполагается, что препарат будет воздействовать только на злокачественные клетки, что в будущем дает возможность лечения онкологии без тяжелых побочных эффектов.

Вчера, 12:51
39 минут
Александр Березин

В июне 2020 года канадские астрономы рассчитали, что в Млечном Пути может быть пять миллиардов планет, похожих на Землю и вращающихся вокруг звезд, похожих на Солнце. Однако это лишь видимая часть айсберга обитаемых планет. Дело не только в том, что вокруг звезд других типов их больше: и сами условия на экзопланетах в других системах могут быть куда благоприятнее для жизни, чем у нас с вами. Попробуем понять почему.

Вчера, 10:05
2 минуты
Sergei Sobol

Обращаете внимание, какой творческий подход проявляют дизайнеры при создании электрических мотоциклов? Каждый из них уникален своими особенностями, и наш сегодняшний фаворит – концептуальный электрический байк BMW Motorrad – не исключение. Он создан дизайнером из Валенсии Яго Валино (Iago Valino), вдохновившимся кастомными мотоциклами мастерской El Solitario. А эстетика байка навеяна культовыми мотоциклами Ural, в которые советские инженеры добавили собственный взгляд на традиции BMW.

14 мая
2 минуты
Илья Ведмеденко

Как следует из обнародованных материалов, дальность действия перспективной американской системы гиперзвукового оружия Long Range Hypersonic Weapon превышает 2775 километров.

23 апреля
11 минут
Василий Парфенов

Действующий глава NASA в рамках общения с прессой ответил на ряд вопросов, касающихся недавних заявлений российских политиков и главы «Роскосмоса» о скором отказе от собственного сегмента МКС. Администратор заверил всех, что агентство находится в хороших отношениях с Россией, а также поделился информацией о согласовании обмена местами для астронавтов и космонавтов в пилотируемых миссиях двух стран.

25 апреля
17 минут
Александр Березин

На этой неделе СМИ выдали новость, от которой можно впасть в шок: «Ранее из России уезжало около 14 тысяч исследователей [в год], теперь — 70 тысяч». Мы внимательно разобрались в ситуации и вынуждены отметить, что ничего подобного не было и нет. В реальности речь вовсе не об ученых и даже не о высококвалифицированных специалистах. Проблемы с учеными в России есть. Но в этом случае речь идет не о них, а о том, что отдельные бывшие комсомольские вожаки, удачно устроившиеся в РАН, перепутали утечку мозгов из России с отъездом из нее гастарбайтеров. Разбираемся, как это у них получилось.

24 апреля
9 минут
Мария Азарова

Американские ученые показали обратную связь всех конечных точек смертности с содержанием омега-3-полиненасыщенных жирных кислот. Согласно их выводам, более высокие уровни некоторых основных ПНЖК в тканях и крови могут снижать вероятность смерти от всех причин в среднем на 13% и в итоге замедлять процесс старения.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

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

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: