Представьте себе столбики с растянутыми между ними светящимися гирляндами - и все это ... с субмикронными размерами. Нечто подобное получили канадские и японские ученые в стремлении добиться интенсивной люминесцении одностенных углеродных нанотрубок.

Рис. 1. Полученное с помощью сканирующей электронной микроскопии изображение кремниевой подложки со столбиками, на которой производился рост углеродных нанотрубок; видно тоненькие "нити" (одностенные углеродные нанотрубки) между столбиками.

Электронная структура одностенных углеродных нанотрубок зависит от их диаметра и хиральности; согласно расчетам, в большинстве случаев одностенные нанотрубки должны быть прямозонными полупроводниками. Конечно, поскольку нанотрубки представляют собой одномерные структуры, плотность электронных состояний в них существенно отличается от плотности состояний в обычных трехмерных полупроводниках (см. схематическое изображение плотности электронных состояний для двух-, одно- и нульмерной систем на рис.2 в новости от 06.12.01.). Плотность состояний нанотрубок характеризуется наличием резких "пиков" (особенностей ван Хова) на краю энергетических зон и можно было бы ожидать, что нанотрубки должны хорошо светиться. Однако эксперименты в течении долгого времени давали сильно отличный от ожидаемого результат. Связано это вот с чем: вследствие формы нанотрубки электронные возбуждения естественным образом "живут" на поверхности и хорошо "чувствуют" окружение. Электроны и дырки, генерируемые при освещении нанотрубки, могут рекомбинировать не только излучательно, но и безызлучательно, и взаимодействие с окружением обеспечивает эффективный канал безызлучательной рекомбинации. Для того, чтобы получить изолированные нанотрубки, пришлось прибегнуть к специальным ухищрениям, позволяющим разделить пучки полученных в процессе синтеза нанотрубок. Только таким образом удалось совсем недавно зарегистрировать мощную люминесценицю одностенных нанотрубок (в растворе, а не в воздухе).

Канадские и японские ученые предпочли решить проблему "враждебного окружения" другим путем, при котором не требуется совершать никаких дополнительных манипуляций после роста нанотрубок. Исследователи применили недавно разработанную методики синтеза нанотрубок на наноструктурированной подложке, что позволило наблюдать им интенсивную люминесценцию углеродных нанотрубок в воздухе при комнатной температуре [1].

Нанотрубки выращивались методом химического осаждения из газовой фазы на кремниевых подложках, на которых с помощью литографии (с использованием синхротронного излучения) был создан упорядоченный массив столбиков (диаметром 100 нм и высотой 360 нм). После нанесения на наноструктурированную подложку нанометрового слоя катализатора (железа или кобальта) проводился собственно синтез нанотрубок (в рабочий объем подавался метан, температура подложки была около 900 C). Хотя большая часть нанотрубок росла собственно на поверхности подложки, меньшая часть "избирала" более экзотический вариант - подобно висячим мостикам они вытягивались от вершины одного столбика к вершине другого (рис. 1). Таким образом, в распоряжении исследователей "естественным образом" оказывались изолированные одностенные нанотрубки.

Рис. 2. a - спектр фотолюминесценции кремниевой подложки без столбиков и нанотрубок; b - спектр фотолюминесценции кремниевой подложки с выращенными на ней нанотрбуками без столбиков; c - спектр микрофотолюминесценции кремниевой подложки со столбиками и висящими между ними углеродными нанотрубками.

Ученые провели измерение спектров люминесценции выращенных образцов с "висячими" нанотрубками при различных условиях и, как уже было сказано, рарегистировали интенсивную люминесценцию. При комнатной температуре нанотрубки светились в диапазоне длин волн от 1 до 1.6 мкм, ширина линий люминесценции отдельных нанотрубок при комнатной температуре составляла примерно 13 мэВ. Типичный спектр микрофотолюминесценции (размер пятна возбуждения составлял 2 мкм и, соответственно, возбуждалось малое число нанотрубок; по этой причине в спектре четко выделяются вклады отдельных нанотрубок) структурированной подложки с нанотрубками приведен на рис. 2с. Для сравнения на рисунке приведены спектры люминесцении кремниевой просто подложки (рис. 2a) и кремниевой подложки с нанотрубками, но без столбиков (рис. 2b).

Чтобы окончательно прояснить природу наблюдаемой люминесценции, исследователи меняли длину волны возбуждающего лазера. При этом, в предположении, что светятся именно одностенные нанотрубки, при выполнении определенных резонансных условий (энергия кванта возбуждения достаточна, чтобы забросить электрон в точно область одной из более высоколежащих особенностей в энергетическом спектре) должно наблюдаться резкое возрастание интенсивности люминесценции, что и имело место в эксперименте.

Чем же интересна полученная с помощью таких ухищрений способность нанотрубок светиться? Во-первых, люминесценция, как водится, может играть роль метода экспресс- диагностики, показывающего, какие (диаметр, хиральность) нанотрубки формируются при данных условиях синтеза. Это полезно для отработки оптимальных условий роста нанотрубок с заданными характеристиками. Во-вторых, интенсивная люминесцения при комнатной температуре (наряду с малой шириной линий излучения) дает принципиальную возможность использовать углеродные нанотрубки в оптоэлектронных устройствах. Можно видеть, в частности, что в диапазон 1 - 1.6 мкм попадают две наиболее удобные для оптоволоконных линий связи длины волны.

1. J.Lefebvre, Y.Homma, and P.Finnie. Phys.Rev.Lett., v.90, 217401 (2003).

Е.Онищенко