miniatura|Tipus de nanotubs de carboni Les propietats òptiques dels nanotubs de carboni són molt rellevants per a la ciència de materials. La manera com els nanotubs de carboni interactuen amb la radiació electromagnètica és única en molts aspectes, com ho demostren els seus peculiars espectres d'absorció, fotoluminescència (fluorescència) i Raman.

Els nanotubs de carboni són materials "unidimensionals" únics, les fibres buides (tubs) dels quals tenen una estructura atòmica i electrònica única i altament ordenada, i es poden fabricar en una àmplia gamma de dimensions. El diàmetre normalment varia de 0,4 a 40 nm (és a dir, un rang de ~100 vegades). Tanmateix, la longitud pot arribar a , cosa que implica una relació longitud-diàmetre de fins a 132.000.000:1; que no té igual en cap altre material. En conseqüència, totes les propietats electròniques, òptiques, electroquímiques i mecàniques dels nanotubs de carboni són extremadament anisotròpiques (dependents de la direcció) i ajustables.

Les aplicacions dels nanotubs de carboni en òptica i fotònica encara estan menys desenvolupades que en altres camps. Algunes propietats que poden conduir a un ús pràctic inclouen la sintonitzabilitat i la selectivitat de longitud d'ona. Les aplicacions potencials que s'han demostrat inclouen díodes emissors de llum (LED), bolòmetres i memòria optoelectrònica.

A part de les aplicacions directes, les propietats òptiques dels nanotubs de carboni poden ser molt útils en la seva fabricació i aplicació a altres camps. Els mètodes espectroscòpics ofereixen la possibilitat d'una caracterització ràpida i no destructiva de quantitats relativament grans de nanotubs de carboni, donant mesures detallades del contingut de carboni no tubular, el tipus de tub i la quiralitat, els defectes estructurals i moltes altres propietats que són rellevants per a aquestes altres aplicacions.

Estructura geomètrica Angle quiral Un nanotub de carboni de paret simple (SWNT o SWCNT) es pot imaginar com una tira d'una molècula de grafè (una sola làmina de grafit) enrotllada i unida en un cilindre. L'estructura del nanotub es pot caracteritzar per l'amplada del diàmetre d del tub i l'angle (θ) de la tira respecte als eixos de simetria principals de la xarxa hexagonal de grafè. Aquest angle, que varia de 0 a 30 graus, s'anomena "angle quiral" del tub i varia en funció de les condicions de creixement del nanotub.

Notació (n, m) miniatura|Una representació "tallada i desenrotllada" d'un nanotub de carboni com una tira d'una molècula de grafè, superposada a un diagrama de la molècula sencera (fons tènue). El vector w (fletxa blava gran) connecta les posicions corresponents a les dues vores de la tira. Com que , es diu que el tub és del tipus (3,1). L'estructura del nanotub es pot descriure mitjançant dos índexs enters (n, m) que descriuen l'amplada i la direcció d'aquesta hipotètica tira com a coordenades en un marc de referència fonamental de la xarxa de grafè. Si els àtoms al voltant de qualsevol anell de 6 membres del grafè es numeren seqüencialment de l'1 al 6, els dos vectors u i v d'aquest marc són els desplaçaments de l'àtom 1 als àtoms 3 i 5, respectivament. Aquests dos vectors tenen la mateixa longitud i les seves direccions estan separades per 60 graus. El vector s'interpreta llavors com la circumferència del tub desenrotllat a la xarxa de grafè; relaciona cada punt A1 en una vora de la tira amb el punt A2 a l'altra vora que s'identificarà amb ell a mesura que la tira s'enrotlli. L'angle quiral α és llavors l'angle entre u i w.

Els parells que descriuen estructures de tubs diferents són aquells amb i Totes les propietats geomètriques del tub, com ara el diàmetre, l'angle quiral i les simetries, es poden calcular a partir d'aquests índexs.

El tipus també determina l'estructura electrònica del tub. Concretament, el tub es comporta com un metall si és un múltiple de 3, i com un semiconductor en cas contrari. Així, a través dels índexs disponibles, un terç dels nanotubs de carboni de carboni de tipus SWNT són metàl·lics i dos terços són semiconductors. Els nanotubs de carboni veritablement metàl·lics amb una banda prohibida mínima o inexistent només s'han definit com aquells on .

Tubs en ziga-zaga i de butaca Els tubs del tipus amb (angle quiral = 30°) s'anomenen "de butaca" i els que tenen (angle quiral = 0°) "en ziga-zaga". Tots els altres angles quirals produeixen el que es coneix com a nanotubs quirals. esquerra|miniatura|Nanotub de butacaesquerra|miniatura|Nanotub en ziga-zaga

Estructura electrònica Les propietats òptiques dels nanotubs de carboni estan determinades en gran manera per la seva estructura electrònica única. L'enrotllament de la xarxa de grafè afecta aquesta estructura de maneres que depenen en gran manera del tipus d'estructura geomètrica .

Singularitats de Van Hove 400x400px miniatura|180x180px|Un material 3D a granel (blau) té una DOS contínua, però un cable 1D (verd) té singularitats de Van Hove. Una característica dels cristalls unidimensionals és que la seva distribució de densitat d'estats (DOS) no és una funció contínua de l'energia, sinó que descendeix gradualment i després augmenta en un pic discontinu. Aquests pics aguts s'anomenen singularitats de Van Hove. En canvi, els materials tridimensionals (a granel) tenen una DOS contínua.

Les singularitats de Van Hove donen lloc a les següents propietats òptiques dels nanotubs de carboni:

Les transicions òptiques es produeixen entre la v1 − c1 , v2 − c2, etc., estats de nanotubs semiconductors o metàl·lics i tradicionalment s'etiqueten com a S 11, S 22, M 11, etc., o, si la "conductivitat" del tub és desconeguda o no important, com a E 11, E 22, etc. Les transicions d'encreuament , , etc., tenen prohibició de dipols i, per tant, són extremadament febles, però possiblement es van observar utilitzant geometria òptica de polarització creuada. Les energies entre les singularitats de Van Hove depenen de l'estructura del nanotub. Així, variant aquesta estructura, es poden ajustar les propietats optoelectròniques del nanotub de carboni. Aquest ajust fi s'ha demostrat experimentalment mitjançant il·luminació UV de nanotubs de carboni dispersos en polímers.

Les transicions òptiques són força nítides (~10 meV) i fort. En conseqüència, és relativament fàcil excitar selectivament nanotubs que tenen certs índexs , així com detectar senyals òptics de nanotubs individuals.

Propietats òptiques Absorció òptica miniatura|300x300px|Espectre d'absorció òptica de nanotubs de carboni de paret simple dispersos L'absorció òptica en nanotubs de carboni difereix de l'absorció en materials 3D convencionals per la presència de pics nítids (nanotubs 1D) en lloc d'un llindar d'absorció seguit d'un augment de l'absorció (la majoria de sòlids 3D). L'absorció en nanotubs s'origina a partir de transicions electròniques dels nivells v2 a c2 (energia E22) o v1 a c1 (E11), etc. Les transicions són relativament nítides i es poden utilitzar per identificar tipus de nanotubs. Cal tenir en compte que la nitidesa es deteriora amb l'augment de l'energia, i que molts nanotubs tenen energies E22 o E11 molt similars , i per tant es produeix una superposició significativa en els espectres d'absorció. Aquesta superposició s'evita en les mesures de mapatge de fotoluminescència (vegeu més avall), que en lloc d'una combinació de transicions superposades identifica parells individuals .

Nanotubs de carboni com a cos negre Un cos negre ideal hauria de tenir una emissivitat o absorbància d'1,0, cosa que és difícil d'aconseguir a la pràctica, especialment en un ampli rang espectral. Els "boscos" alineats verticalment de nanotubs de carboni de paret simple poden tenir absorbàncies de 0,98–0,99 des de l'ultraviolat llunyà (200 nm) fins a l'infraroig llunyà (200 longituds d'ona μm).

Dispersió Raman miniatura|300x300px|Espectre Raman de nanotubs de carboni de paret simple L'espectroscòpia Raman té una bona resolució espacial (~0,5 micròmetres) i sensibilitat (nanotubs individuals); només requereix una preparació mínima de la mostra i és força informativa. En conseqüència, l'espectroscòpia Raman és probablement la tècnica més popular de caracterització de nanotubs de carboni. La dispersió Raman en nanotubs de carboni de carboni de tipus SWNT és ressonant, és a dir, només es sonden aquells tubs que tenen un dels intervals de banda igual a l'energia làser d'excitació. Diversos modes de dispersió dominen l'espectre de nanotubs de carboni de tipus SWNT, com es discuteix a continuació.

Aplicacions Al laboratori s'han produït díodes emissors de llum (LED) i fotodetectors basats en un únic nanotub. La seva característica única no és l'eficiència, que encara és relativament baixa, sinó l'estreta selectivitat en la longitud d'ona d'emissió i detecció de la llum i la possibilitat del seu ajust fi a través de l'estructura del nanotub. A més, s'han realitzat dispositius de bolòmetre i memòria optoelectrònica en conjunts de nanotubs de carboni de paret simple.

La fotoluminescència s'utilitza amb finalitats de caracterització per mesurar les quantitats d'espècies de nanotubs semiconductors en una mostra. Els nanotubs s'aïllen (dispersen) utilitzant un agent químic adequat ("dispersant") per reduir l'extinció entre tubs. A continuació, es mesura la PL, escanejant tant les energies d'excitació com d'emissió i produint així un mapa de PL. Els ovals del mapa defineixen (S22 , Parelles S11 ), que identifiquen de manera única ( n , m) índex d'un tub. Les dades de Weisman i Bachilo s'utilitzen convencionalment per a la identificació.

La fluorescència de nanotubs s'ha investigat amb finalitats d'imatge i detecció en aplicacions biomèdiques.

Referències

Categoria:Carboni Categoria:Nanotecnologia