光学活性缺陷可改善碳纳米管

可以通过故意引入某些结构“缺陷”或缺陷来更改和设计碳基纳米材料的特性。但是，挑战在于控制这些缺陷的数量和类型。就碳纳米管(在近红外光中发光的微小的管状小化合物)而言，海德堡大学的化学家和材料科学家以贾纳·扎姆塞尔(Jana Zaumseil)教授为首，现已展示了一种新的反应途径，可以控制这种缺陷。这会导致特定的光学活性缺陷(即所谓的sp3缺陷)，这些缺陷会发光得多，并且可以发出单个光子，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“不良”的东西，会对材料的性能产生负面影响，使其不那么完美。但是，在某些纳米材料(例如碳纳米管)中，这些“缺陷”可能会产生“良好”的效果并启用新的功能。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起片组成，因为它们也存在于苯中。这些中空管的直径约为一纳米，最长可达几微米。

通过某些化学反应，晶格中的一些sp2碳原子可以转变为sp3碳，也可以在甲烷或钻石中发现。这会改变碳纳米管的局部电子结构，并导致光学活性缺陷。这些sp3缺陷甚至在近红外光中发出的光更多，并且与未进行功能化处理的纳米管相比，整体上更具发光性。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性质。“不幸的是，到目前为止，几乎没有控制什么缺陷的形成，”物理化学研究所的教授，海德堡大学高级材料中心的成员贾娜·扎姆塞伊尔(Jana Zaumseil)说。

海德堡的科学家和她的团队最近展示了一种新的化学反应途径，该途径能够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以前引入的任何“缺陷”“更好”。Zaumseil教授解释说，它们不仅更具发光性，而且在室温下还显示出单光子发射。在此过程中，一次仅发射一个光子，这是量子密码学和高度安全的电信的前提。

Zaumseil教授研究小组的博士生，报告这些结果的论文第一作者西蒙·塞特勒(Simon Settele)表示，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。但是，目标是创造更好的缺陷。”

这项研究是Zaumseil教授领导并由欧洲研究理事会(ERC)的ERC合并者资助的项目“光电单壁碳纳米管中的三价离子和sp3-缺陷”(TRIFECTs)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非常细微，所需的结合构型通常仅在少数纳米管中形成。能够生产出大量具有特定缺陷并具有受控缺陷密度的纳米管，为光电器件以及其他电子器件铺平了道路。电泵浦的单光子源，这是未来在量子密码学中的应用所需要的，” Zaumseil教授说。

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