Anar al contingut

Propietats òptiques dels nanotubos de carbono

De L'Enciclopèdia, la wikipedia en valencià

Les propietats òptiques dels nanotubos de carbono són molt importants per a la ciència dels materials. La forma en que els nanotubos de carbono interactuen en la radiació electromagnètica és única en molts aspectes, com demostren els seus peculiars espectres d'absorció, fotoluminiscencia (fluorescència) i Raman.

Els nanotubos de carbono són materials "unidimensionals" únics, les fibres dels quals huecas (tubos) tenen una estructura atòmica i electrònica única i molt ordenada, i poden fabricar-se en una àmplia gama de dimensions. El diàmetro sol variar entre 0,4 i 40 nm (és dir, un ranc de 100 voltes). No obstant, la llongitut pot alcançar els 55,5 cm (21,9 polzades), lo que implica una relació llongitut-diàmetro de fins a 132.000.000:1, inigualable per cap atre material.[1] Per tant, totes les propietats electròniques, òptiques, electroquímiques i mecàniques dels nanotubos de carbono són extremadament anisótropas (depenents de la direcció) i sintonisables.[2]

Les aplicacions dels nanotubos de carbono en òptica i fotònica estan encara menys desenrollades que en atres camps. Algunes de les propietats que poden donar lloc a un us pràctic són la sintonizabilidad i la selectivitat de la llongitut d'ona. Entre les aplicacions potencials que s'han demostrat es troben els diodos emissors de llum (LED),[3] els bolómetros[4] i les memòries optoelectròniques.[5]

Aparte de les aplicacions directes, les propietats òptiques dels nanotubos de carbono poden ser molt útils en la seua fabricació i aplicació a atres camps. Els métodos espectroscópicos oferixen la possibilitat de caracterisar de forma ràpida i no destructiva cantitats relativament grans de nanotubos de carbono, en lo que s'obtenen medicions detallades del contingut de carbono no tubular, el tipo i la quiralidad dels tubos, els defectes estructurals i moltes atres propietats rellevants per a eixes atres aplicacions.

Estructura geomètrica

[editar | editar còdic]

Àngul quiral

[editar | editar còdic]

Un nanotubo de carbono de paret simple (SWNT[6] o SWCNT[7]) pot imaginar-se com una tira d'una molècula de grafeno (un sol full de grafit) enrollada i unida en forma de cilindre. L'estructura del nanotubo pot caracterisar-se per l'esgambi del diàmetro d del tubo i l'àngul (θ) de la tira respecte als eixos principals de simetria de la ret hexagonal de grafeno. Este àngul, que varia de 0 a 30 graus, es denomina "àngul quiral" del tubo[7]i varia en funció de les condicions de creiximent del nanotubo.[6]

Notació (n, m)

[editar | editar còdic]
Representació "tallada i desenrollada" d'un nanotubo de carbono com tira d'una molècula de grafeno, superposta a un diagrama de la molècula completa (fondo tènue). El vector w (flecha blava gran) conecta les posicions corresponents en les dos vores de la tira. Com w = 3o + 1v, es diu que el tubo és del tipo (3,1).

L'estructura del nanotubo pot descriure's per mig de dos índexs sancers (n,m) que descriuen l'esgambi i la direcció d'eixa hipotètica banda com a coordenades en un marc de referència fonamental de la ret de grafeno. Si els àtoms al voltant de qualsevol anell de 6 membres del grafeno es numeren secuencialmente de l'1 al 6, els dos vectores o i v d'eixe marc són els desplaçaments de l'àtom 1 als àtoms 3 i 5, respectivament. Estos dos vectores tenen la mateixa llongitut i les seues direccions estan separades 60 graus. El vector w = n o + m v s'interpreta llavors com la circumferència del tubo desenrollado en la ret de grafeno; relaciona cada punt A1 d'una vora de la tira en el punt A2 de l'atra vora que s'identificarà en ell al enrollar la tira. L'àngul quiral α és llavors l'àngul entre o i w.[8][9][10]

Els parells (n, m) que descriuen estructures de tubo distintes són aquells en 0 ≤ m ≤ n i n > 0. Totes les propietats geomètriques del tubo, com el diàmetro, l'àngul quiral i les simetria, poden calcular-se a partir d'estos índexs.[7][11]


El tipo també determina l'estructura electrònica del tubo. Específicament, el tubo es comporta com un metal si m - n és múltiple de 3, i com un semiconductor en cas contrari.[12] Aixina, a través dels índexs disponibles, un terç dels SWNTs són metàlics, i dos terços són semiconductors.[13]Els nanotubos de carbono verdaderament metàlics en una brecha de banda mínima o inexistent s'han definit només com aquells en els que n = m.[11]

Tubos en zigzag i armchair

[editar | editar còdic]

Els tubos de tipo (n, m) en n = m (àngul quiral = 30°) es denominen "en cadira de braços" i els que tenen m = 0 (àngul quiral = 0°) "en zigzag"[14]

Archiu:ArmchairC caps block 42 .png
Silló de nanotubos
Archiu:ZigzagC caps block 44 .png
Nanotubo en zigzag

Estructura electrònica

[editar | editar còdic]

L'òptica. [15]Tots els demés ànguls quirales produïxen lo que es coneix com nanotubos quirales.[14]

Les propietats dels nanotubos de carbono vénen determinades en gran mida per la seua estructura electrònica única. El enrollamiento de la ret de grafeno afecta a dita estructura de formes que depenen en gran mida del tipo d'estructura geomètrica (n, m).[13]

Singularitats de Van Hove

[editar | editar còdic]
Archiu:Caps block 50 multdim.jpg
Un material 3D a granel (blava) té DOS contínua, pero un aram 1D (vert) presenta singularitats de Van Hove.
Archiu:Caps block 52

Una traça característica dels cristals unidimensionals és que la seua distribució de densitat d'estats (DOS) no és una funció contínua de l'energia, sino que descendix gradualment i després aumenta en un pico discontinu. Estos picos aguts es denominen singularitats de Van Hove.[16] Pel contrari, els materials tridimensionals (a granel) tenen DOS contínues.[17][18]

Les singularitats de Van Hove donen lloc a les següents propietats òptiques dels nanotubos de carbono:

  • Les transicions òptiques es produïxen entre els estats v1 - c1, v2 - c2, etc., dels nanotubos semiconductors o metàlics i s'etiqueten tradicionalment com S11, S22, M11, etc., o, si la "conductivitat" del tubo és desconeguda o sense importància, com E11, E22, etc.[18]Les transicions creuades c1 - v2, c2 - v1, etc., estan prohibides per dipol i, per tant, són extremadament dèbils, pero possiblement es varen observar utilisant geometria òptica de polarisació creuada.[19]
  • Les energies entre les singularitats de Van Hove depenen de l'estructura del nanotubo. Aixina, variant esta estructura, es poden sintonizar les propietats optoelectròniques del nanotubo de carbono. Este ajust fi s'ha demostrat experimentalment utilisant allumenament UV de CNT dispersos en polímero.[20]
  • Les transicions òptiques són prou agudes (10 meV) i fortes. Per tant, és relativament fàcil excitar selectivament nanotubos en determinats índexs (n, m), aixina com detectar senyals òptiques de nanotubos individuals.[18]

Diagrama de Kataura

[editar | editar còdic]
En este gràfic de Kataura, l'energia d'una transició electrònica disminuïx a mida que aumenta el diàmetro del nanotubo.

En 1999, Hiromichi Kataura va dissenyar un gràfic teòric basat en estos càlculs per a racionalisar els resultats experimentals.[21] Un gràfic de Kataura relaciona el diàmetro del nanotubo i les seues energies de banda prohibida per a tots els nanotubos d'un interval de diàmetros.[22] La forma oscilante de cada branca del gràfic de Kataura reflectix la forta dependència intrínseca de les propietats dels SWNT de l'índex (n, m) més que del seu diàmetro.[23]


Referències

[editar | editar còdic]
  1. ↑ Xueshen Wang; et al. (2009). "Fabrication of Ultralong and Electrically Uniform Single-Walled Carbon Nanotubes on Clean Substrates". Nano Letters. 9 (9): 3137–41. Bibcode:2009NanoL...9.3137W. doi:10.1021/nl901260b. PMID 19650638.
  2. ↑ R. Zhang; et al. (2013). "Growth of Half-Ficar Long Carbon Nanotubes Based on Schulz–Flory Distribution". ACS Nano. 7 (7): 6156–61. doi:10.1021/nn401995z. PMID 23806050.
  3. ↑ J. A. Misewich; et al. (2003). "Electrically Induced Optical Emission from a Carbon Nanotube FET". Science. 300 (5620): 783–786. Bibcode:2003Sci...300..783M. doi:10.1126/science.1081294. PMID 12730598. S2CID 36336745.
  4. ↑ M. E. Itkis; et al. (2006). "Bolometric Infrared Photoresponse of Suspendre Single-Walled Carbon Nanotube Films". Science. 312 (5772): 413–416. Bibcode:2006Sci...312..413I. doi:10.1126/science.1125695. PMID 16627739. S2CID 8365578.
  5. ↑ A. Star; et al. (2004). "Nanotube Optoelectronic Memory Devices". Nano Letters. 4 (9): 1587–1591. Bibcode:2004NanoL...4.1587S. doi:10.1021/nl049337f.
  6. ↑ 6,0 6,1 He, Maoshuai; Zhang, Lili; Jiang, Hua; Yang, He; Fossard, Frédéric; Cui, Hongzhi; Sun, Zhipei; Wagner, Jakob B.; Kauppinen, Esko I.; Loiseau, Annick (2016). "Fe Tu O based catalyst for large-chiral-angle single-walled carbon nanotube growth". Carbon. 107: 865–871. doi:10.1016/j.carbon.2016.06.099.
  7. ↑ 7,0 7,1 7,2 Abhisha & Stephen 2022, p. 132
  8. ↑ S. B. Sinnott & R. Andreys (2001). "Carbon Nanotubes: Synthesis, Properties, and Applications". Critical Reviews in Solid State and Materials Sciences. 26 (3): 145–249. Bibcode:2001CRSSM..26..145S. doi:10.1080/20014091104189. S2CID 95444574.
  9. ↑ M. S. Dresselhaus; et al. (1995). "Physics of Carbon Nanotubes". Carbon. 33 (7): 883–891. Bibcode:1995Carbo..33..883D. doi:10.1016/0008-6223(95)00017-8.
  10. ↑ P. C. Eklund; et al. (1995). "Vibrational Modes of Carbon Nanotubes; Spectroscopy and Theory". Carbon. 33 (7): 959–972. Bibcode:1995Carbo..33..959E. doi:10.1016/0008-6223(95)00035-C.
  11. ↑ 11,0 11,1 Sánchez-Romate, Jiménez-Suárez & Ureña 2022, p. 217
  12. ↑ Maruyama 2022, p. 80
  13. ↑ 13,0 13,1 Maruyama 2021, p. 302
  14. ↑ 14,0 14,1 Srikanth & Kumar 2022, pàg. 11-12
  15. ↑ Koziol, Krzysztof K. K.; Ducati, Taste; Windle, Alan H. (2010-09-14). "Carbon Nanotubes with Catalyst Controlled Chiral Angle". Chemistry of Materials. 22 (17): 4904–4911. doi:10.1021/cm100916m. ISSN 0897-4756.
  16. ↑ Ayeleru et al. 2022, p. 121
  17. ↑ Kamimura, Hiroshi; Bhattacharya, Pallab; Fornari, Roberto, eds. (2011-01-28). Comprehensive Semiconductor Science and Technology. Vol. 1. Elsevier Science. p. 461. ISBN 978-0-08-093228-6.
  18. ↑ 18,0 18,1 18,2 Abhisha & Stephen 2022, pàg. 134-135
  19. ↑ Y. Miyauchi; et al. (2006). "Cross-Polarized Optical Absorption of Single-Walled Nanotubes Probed by Polarized Photoluminescence Excitation Spectroscopy". Physical Review B. 74 (20): 205440. arXiv:cond-mat/0608073. Bibcode:2006PhRvB..74t5440M. doi:10.1103/PhysRevB.74.205440. S2CID 16144784.
  20. ↑ K. Iakoubovskii; et al. (2006). "Midgap Luminescence Centers in Single-Wall Carbon Nanotubes Created by Ultraviolet Illumination" (PDF). Applied Physics Letters. 89 (17): 173108. Bibcode:2006ApPhL..89q3108I. doi:10.1063/1.2364157.
  21. ↑ S. Maruyama. "Shigeo Maruyama's Fullerene and Carbon Nanotube Site". Archivat de l'original 2012-12-20. Consultat 2008-12-08.
  22. ↑ H. Kataura; et al. (1999). "Optical Properties of Single-Wall Carbon Nanotubes" (PDF). Synthetic Metals. 103 (1–3): 2555–2558. doi:10.1016/S0379-6779(98)00278-1.
  23. ↑ Liu, Chi-You; Hsiao, Jung-Yin; Li, Elise Y. (2023-05-01). "A global prediction of the Kataura plot for chiral carbon nanotubes: Topological family effect revealed in the natural helical crystal lattice scheme". Carbon. 208: 72–81. doi:10.1016/j.carbon.2023.03.035. ISSN 0008-6223.
Obtingut de «https://www.lenciclopedia.org/w/index.php?title=Propietats_òptiques_dels_nanotubos_de_carbono&oldid=822684»