28 января 2020, вторник, 10:22
VK.comFacebookTwitterTelegramInstagramYouTubeЯндекс.Дзен

НОВОСТИ

СТАТЬИ

PRO SCIENCE

МЕДЛЕННОЕ ЧТЕНИЕ

ЛЕКЦИИ

АВТОРЫ

Ловушка для триона

Структура углеродной нанотрубки
Структура углеродной нанотрубки

Ученые исследовали новые энергетические уровни, возникающие при внесении ловушек в углеродные нанотрубки, и выяснили, что они соответствуют экситону (квазичастице, состоящей из электрона и «дырки») и триону (экситону, к которому присоединились еще одна «дырка» или электрон). Результаты опубликованы в журнале Scientific reports международным коллективом ученых из МГУ имени Ломоносова, Института общей физики имени А.М. Прохорова РАН, МФТИ, ФТИ им. Иоффе, НИЯУ МИФИ, а также университета Восточной Финляндии.

Углеродные нанотрубки (УНТ) — легкий и прочный материал, перспективный с многих точек зрения. Они, по сути дела, представляют собой лист графена, «свернутый» в определенном направлении, причем выбор направления влияет на свойства получившейся трубки: она может вести себя как металл или полупроводник. Направление «свертки» обозначается двумя числами, n иm — индексами хиральности (Рис. 1). Нанотрубка имеет металлическую проводимость только в тех случаях, когда разность n и m равна нулю или делится на 3.

Рис. 1. Иллюстрация, поясняющая формирование нанотрубок с различной хиральностью. Цифрами обозначены коэффициенты хиральности, те случаи, когда УНТ будет иметь металлическую проводимость, выделены синим.

Пленки из УНТ с полупроводниковой проводимостью в перспективе способны заменить оксид индия-олова — твердый прозрачный материал, который уже 60 лет используется для создания прозрачных электродов. Без редкоземельного индия производство дисплеев и сенсорных экранов будет дешевле, и кроме того, их можно будет без вреда сгибать и сворачивать.

Для описания процессов переноса зарядов в полупроводниках используются квазичастицы. Например, «дырка» — оставшееся после отрыва электрона свободное место на орбитали атома. Квазичастица экситон (от лат. «возбуждаю») представляет собой пару электрон–«дырка», которая движется так, будто частицы «привязаны» друг к другу. Если к экситону присоединяется еще одна частица и вся эта конструкция движется как единое целое, получается трион.

Чтобы исследовать поведение квазичастиц, ученые создали для них «ловушки», добавив в водную суспензию УНТ с хиральностью (6, 5) соляную кислоту. Протоны из HCl присоединялись к поверхности нанотрубок без химической реакции, не нарушая структуру. Чем выше была концентрация кислоты, тем больше формировалось «ловушек». Попадая в «ловушку», частица не может ее покинуть и становится локализованной.

Энергия частиц может принимать только определенные значения. Уровни энергии похожи на полки шкафа — книгу можно поставить на вторую или десятую, но нельзя на 9 ¾. 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, определить расположение «полок» и выяснить, что за «шкаф» перед нами.

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 нанотрубке атомов водорода снижается количество экситонов. Зато появляется новый энергетический переход, обозначенный как Х-полоса. Этот переход заметен также и на спектрах поглощения. Исследователи предположили, что он соответствует попавшим в «ловушки» частицам. (Рис. 2).

Рис. 2. Спектры поглощения и фотолюминесценции УНТ в зависимости от концентрации HCl

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 (Рис. 3).

Рис. 3. Схема метода возбуждения-зондирования. Источник: А. С. Мерещенко «Методы оптической спектроскопии с временным разрешением».

Обработка полученной этим методом информации позволила выделить энергетические уровни, формирующиеся через разное время после импульса (обозначены E1, X и Т, Рис. 3). Первые два соответствуют образованию экситона, свободного и «пойманного» в протонную ловушку (т. к. 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 мы выявили в таких нанотрубках многочастичные оптические возбуждения и выяснили механизмы миграции энергии. Развитие этого направления открывает новые перспективы для нелинейной оптики», —  сообщает один из авторов работы, Тимофей Ерёмин, младший научный сотрудник лаборатории наноуглеродных материалов МФТИ.

Рис. 4. Энергетические уровни и переходы между ними

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 им. А.М. Прохорова РАН, МГУ, МИФИ, ФТИ им. Иоффе, а также университета Восточной Финляндии.

Обсудите в соцсетях

«Ангара» Африка Византия Вселенная Гренландия ДНК Иерусалим КГИ Луна МГУ Марс Монголия НАСА РБК РВК РГГУ РадиоАстрон Роскосмос Роспатент Росприроднадзор Русал СМИ Сингапур Солнце Титан Юпитер акустика антибиотики античность археология архитектура астероиды астрофизика бактерии бедность библиотеки биомедицина биомеханика бионика биоразнообразие биотехнологии блогосфера викинги вирусы воспитание вулканология гаджеты генетика география геология геофизика геохимия гравитация грибы дельфины демография демократия дети динозавры животные здоровье землетрясение змеи зоопарк зрение изобретения иммунология импорт инновации интернет инфекции ислам исламизм исследования история карикатура картография католицизм кельты кибернетика киты климатология клонирование комары комета кометы компаративистика космос культура культурология лазер лексика лженаука лингвистика льготы мамонты математика материаловедение медицина металлургия метеориты микробиология микроорганизмы мифология млекопитающие мозг моллюски музеи насекомые наука нацпроекты неандертальцы нейробиология неолит обезьяны общество онкология открытия палеолит палеонтология память папирусы паразиты перевод питание планетология погода политика право приматы природа психиатрия психоанализ психология психофизиология птицы ракета растения религиоведение рептилии робототехника рыбы сердце смертность собаки сон социология спутники старение старообрядцы стартапы статистика такси технологии тигры топливо торнадо транспорт ураган урбанистика фармакология физика физиология фольклор химия христианство цифровизация школа экология электрохимия эпидемии эпидемиология этология язык Александр Беглов Дмитрий Козак Древний Египет Западная Африка Латинская Америка НПО «Энергомаш» Нобелевская премия РКК «Энергия» Российская империя Сергиев Посад альтернативная энергетика аутизм биология бозон Хиггса вымирающие виды глобальное потепление грипп защита растений инвазивные виды информационные технологии искусственный интеллект история искусства история цивилизаций исчезающие языки квантовая физика квантовые технологии климатические изменения компьютерная безопасность компьютерные технологии космический мусор криминалистика культурная антропология междисциплинарные исследования местное самоуправление мобильные приложения научный юмор облачные технологии обучение одаренные дети педагогика персональные данные подготовка космонавтов преподавание истории продолжительность жизни происхождение человека русский язык сланцевая революция физическая антропология финансовый рынок черные дыры эволюция эмбриональное развитие этнические конфликты ядерная физика Вольное историческое общество жизнь вне Земли естественные и точные науки НПО им.Лавочкина Центр им.Хруничева История человека. История институтов дело Baring Vostok Протон-М 3D Apple Big data Dragon Facebook Google GPS IBM MERS PayPal PRO SCIENCE видео ProScience Театр SpaceX Tesla Motors Wi-Fi

Редакция

Электронная почта: polit@polit.ru
Телефон: +7 929 588 33 89
Яндекс.Метрика
Свидетельство о регистрации средства массовой информации
Эл. № 77-8425 от 1 декабря 2003 года. Выдано министерством
Российской Федерации по делам печати, телерадиовещания и
средств массовой информации. Выходит с 21 февраля 1998 года.
При любом использовании материалов веб-сайта ссылка на Полит.ру обязательна.
При перепечатке в Интернете обязательна гиперссылка polit.ru.
Все права защищены и охраняются законом.
© Полит.ру, 1998–2020.