暗激子可對奈米管的發光做出很大貢獻

日本理化研究所（RIKEN）的三位物理學家發現，調整碳奈米管的尺寸和其他屬性可以大大提高它們發射的光量。這一發現有望促使高效光子器件的發展。

碳奈米管是微小的圓柱體，直徑僅為奈米至幾奈米，但長度卻可以達到幾微米。它們出色的電子和機械效能使它們在節能裝置中具有吸引力。特別是，奈米管原本純淨的碳結構中的缺陷可能會發出單個光子，這是量子計算和通訊所需的許多奈米級裝置的重要組成部分。

在典型的發光裝置中，鐳射或電場會產生成對的電子和空穴，稱為激子。一段時間後，電子和空穴複合，激子消失。根據激子的對稱性，湮滅可能會導致發光或不發光。

所產生的激子中約有一半是明亮的，而另一半則是黑暗的，在不發光的情況下複合。一些黑暗的激子可以變成明亮的激子，然後在湮滅時發光。但是碳奈米管往往具有較低的發光效率，這主要是因為深色激子通常在它們轉變為亮激子之前就會重新結合。

現在，在日本理化研究所奈米級量子光子學實驗室的加藤裕一郎和兩位同事發現，透過調整奈米管的規格，可以將一半以上的暗激子轉換為亮子，從而大大提高了奈米管的光輸出。

研究人員在一系列碳奈米管上進行了時間分辨的發光測量。透過將時間分辨的發光軌跡與模型擬合，他們發現暗和亮激子之間的轉化率取決於奈米管的長度、直徑和手性。這三名研究人員估計，在更長的奈米管中，暗激子向亮激子的轉化率非常高，以至於超過一半的暗激子對總髮光作出了貢獻。

加藤說：“這些發現表明，暗激子可以顯著影響低維材料（例如奈米管）的發射動力學。因此，他們指出了使用表面相互作用來設計從暗到亮轉換過程的潛力。”

該小組現在打算探索利用這種效應的潛力。加藤說：“我們有興趣使用這種高效的轉換工藝來獲得性能更好的碳奈米管單光子發射器。”

研究所發表論文標題為《High Efficiency Dark-to-Bright Exciton Conversion in Carbon Nanotubes》。