Графеновые наноленты заставили светиться красным

Физики из Франции и Италии заставили графеновую наноленту излучать интенсивный свет в оптической части спектра. Для этого они прикрепили один из концов ленты к золотой подложке, другой приподняли с помощью наконечника сканирующего туннельного микроскопа, а затем пропустили через ленту электрический ток. Статья опубликована в Nano Letters.

В материалах с большой энергией связи экситонов возможна ситуация, когда у падающего фотона достаточно энергии для создания экситона, но не пары свободных электрона и дырки. Поэтому необходимо различать понятия «оптическая запрещенная зона» (optical bandgap) и «электрическая запрещенная зона» (electrical bandgap). Собственно, под оптической запрещенной зоной понимается граница значений энергии, начиная с которой в материале начинают появляться экситоны, а под электрической — граница, с которой они распадаются. Очевидно, оптическая запрещенная зона ýже электрической.

Несмотря на то, что графен обладает многими свойствами, которые делают его перспективными для электроники, у него отсутствует оптическая запрещенная зона. Это ограничивает возможности использования графена для создания приборов, испускающих свет. Тем не менее, проблему можно обойти, если работать не с большими листами графена, а с узкими графеновыми лентами, которые имеют ширину от десяти до ста нанометров. Электрическая и оптическая запрещенные зоны в такой наноленте зависят не только от квантовых свойств материала, но и от способа прикрепления ее к подложке, что позволяет тонко настраивать ширину зон.

В настоящее время ученые хорошо изучили графеновые наноленты теоретически и поставили несколько экспериментов по проверке их оптических свойств. Правда, пока что эксперименты ограничивались наблюдением за излучением ансамблей графеновых нанолент, и ученым удалось добиться от них только слабого света, спектр которого не имел каких-либо особенностей. В данной работе группа ученых под руководством Гийома Шулла (Guillaume Schull) добилась интенсивного излучения от отдельной наноленты.

Для этого экспериментаторы «подвесили» графеновую наноленту над подложкой, прикрепив один из ее концов к золотой поверхности и приподняв другой конец с помощью золотого же наконечника сканирующего туннельного микроскопа. Это позволило избежать влияния электродов, которые в противном случае подавляли бы излучение. Толщина наноленты составляла около семи нанометров, а ширина запрещенной зоны — около двух электронвольт, что соответствует излучению на длине волны 620 нанометров (красный свет). Прежде чем приподнимать один из концов ленты, физики дегидрировали край ленты, пропуская через систему постоянный ток напряжением около 4 вольт и силой около 10 наноампер (C-term), а также сравнили результаты со случаем не обработанных концов (H-term).

Затем ученые пропустили через ленту электрический ток (напряжением около двух вольт и силой около 0,5 наноампер) и измерили спектр ее излучения, то есть зависимость числа излученных фотонов от длины волны. В случае обработанного конца спектр имел несколько ярко выраженных особенностей (смотри рисунок), наибольшая интенсивность наблюдалась на длине волны 770 нанометров (1,6 электронвольт). В целом интенсивность излучения ленты более чем в сто раз превышала максимальную интенсивность существующих молекулярных оптоэлектронных приборов. Спектр излучения в случае необработанного края был более гладким и менее интенсивным.

Кроме того, исследователи обнаружили, что максимальная длина волны зависит от величины приложенного к наноленте напряжения. При величине напряжения менее 1,53 вольт излучения не наблюдалось вовсе, а выше этой границы в спектре фотонов возникало два выраженных резонанса. При дальнейшем росте напряжения энергия пиков линейно увеличивалась.

Наконец, ученые численно смоделировали изучаемую систему, рассчитав плотность состояний электронов в ленте с помощью теории функционала плотности (DFT). Оказалось, что в излучение вовлечены электронные состояния, локализованные на концах наноленты. Результаты ученых помогут лучше понять свойства графеновых нанолент и, возможно, позволят сконструировать новые типы оптических излучателей.

О том, какие перспективы ожидают графен и другие двумерные материалы, можно прочитать в нашем интервью с Нобелевским лауреатом Константином Новоселовым.

Дмитрий Трунин