Forschungsgruppen der Universitäten Tsukuba und Rennes haben ein neuartiges Phänomen entdeckt, bei dem eine verschachtelte Struktur aus Kohlenstoffnanoröhren, die von Bornitrid-Nanoröhren umhüllt sind, bei Lichteinwirkung einen einzigartigen Elektronen-Fluchtweg ermöglicht. Diese Entdeckung eröffnet vielversprechende Möglichkeiten für verschiedene Anwendungen, darunter die Entwicklung von optischen Hochgeschwindigkeitsgeräten, die schnelle Steuerung von Elektronen und anderen Teilchen sowie die effiziente Wärmeableitung von Geräten.
Neuere Studien haben gezeigt, dass Materialien aus geschichteten Röhren, die atomar dick sind und als niedrigdimensionale Materialien klassifiziert werden, neue Eigenschaften aufweisen. Während die statischen Eigenschaften dieser Strukturen, wie etwa die elektrische Leitfähigkeit, gut dokumentiert sind, wurden ihre dynamischen Eigenschaften, darunter Elektronentransfer zwischen Schichten und durch Lichteinwirkung ausgelöste Atombewegungen, weniger beachtet.
In dieser Studie konstruierten Forscher verschachtelte zylindrische Strukturen, indem sie Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) in Bornitrid-Nanoröhren einwickelten. Anschließend untersuchten sie die Bewegung von Elektronen und Atomen, die durch ultrakurze Lichtimpulse auf einem eindimensionalen (1D) Material induziert wurde. Die Studie ist veröffentlicht im Journal Naturkommunikation.
Die Elektronenbewegung wurde mithilfe breitbandiger ultraschneller optischer Spektroskopie überwacht, die sofortige Änderungen in molekularen und elektronischen Strukturen aufgrund von Lichtbestrahlung mit einer Genauigkeit von zehn Billionstel Sekunden (10−13 s) erfasst. Die Atombewegung wurde durch ultraschnelle zeitaufgelöste Elektronenbeugung beobachtet, die ebenfalls eine Überwachung der Strukturdynamik mit einer Genauigkeit von zehn Billionstel Sekunden ermöglichte.
Die Studie ergab, dass sich beim Übereinanderschichten unterschiedlicher niedrigdimensionaler Materialien ein Pfad oder Kanal bildet, über den Elektronen aus bestimmten Unterteilen des Materials entweichen können. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass Elektronen, die in den CNTs durch Lichteinwirkung angeregt werden, über diese elektronischen Kanäle in die BNNTs gelangen können, wo ihre Energie rasch in Wärmeenergie umgewandelt wird, was eine extrem schnelle Wärmeumwandlung ermöglicht.
Im Rahmen dieser Forschung wurde ein neues physikalisches Phänomen an der Schnittstelle zwischen zwei ungleichen Materialien aufgedeckt, das nicht nur einen ultraschnellen Transport thermischer Energie ermöglicht, sondern auch potenzielle Anwendungsmöglichkeiten bei der Entwicklung ultraschneller optischer Geräte und der schnellen Manipulation von durch Licht erzeugten Elektronen und Löchern bietet.
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Yuri Saida et al., Photoinduzierte Dynamik während des elektronischen Transfers von Schichten mit schmaler zu breiter Bandlücke in eindimensionalen heterostrukturierten Materialien, Naturkommunikation (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-48880-3