나노기술 및 정책 정보

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탄소 기반 나노물질의 특성은 특정 구조적 “불완전성” 또는 결함을 의도하여 변화될 수 있음. 그러나 문제는 이러한 결함의 수와 유형을 제어하는 ​것임.

근적외선에서 빛을 방출하는 미세한 관형 화합물인 탄소나노튜브의 경우, 독일 하이델베르크 대학의 연구진이 이러한 결함 제어를 가능하게 하는 새로운 반응 경로를 시연함.

그 결과 특정 광학 활성 결함(소위 sp3 결함)이 발생하며, 이러한 sp3 결함은 근적외선에서 훨씬 더 빛을 방출하며 기능화되지 않은 나노튜브보다 전반적으로 더 발광하고, 단일 광자, 즉 빛 입자를 방출할 수 있음. 근적외선의 효율적인 방출은 통신 및 생물학적 이미징 응용 분야에 중요함.

탄소나노튜브와 같은 특정 나노물질에서 이러한 "결함"은 새로운 기능을 가능하게 할 수 있으며, 여기서 정확한 유형의 결함이 중요함.

특정 화학 반응을 통해 격자의 sp2 탄소원자 몇 개가 메탄 또는 다이아몬드에서도 발견되는 sp3 탄소로 변할 수 있음. 이것은 탄소나노튜브의 국부적인 전자 구조를 변화시키고 광학적 활성 결함을 초래함. 탄소나노튜브의 기하학적 구조로 인해 도입된 sp3 탄소 원자의 정확한 위치가 결함의 광학적 특성을 결정함.

연구진은 최근에 결함 제어 및 단 하나의 특정 유형의 sp3 결함만 선택적으로 생성할 수 있는 새로운 화학 반응 경로를 보여줌. 이러한 광학적 활성 결함은 이전에 소개된 "결함"보다 더 우수함.

더욱 발광할 뿐만 아니라 상온에서 단일 광자 방출을 보여줌. 이 과정에서 한 번에 하나의 광자만 방출되며, 이는 양자 암호화 및 고도로 안전한 통신을 위한 전제 조건임.

새로운 기능화 방법(친핵성 추가)은 매우 간단하며 특별한 장비가 필요하지 않음. 이러한 결함 사이의 화학적 차이는 미묘하며 원하는 결합 구성은 일반적으로 소수의 나노튜브에서만 형성됨. 특정 결함과 제어된 결함 밀도를 가진 많은 수의 나노튜브를 생산할 수 있다는 것은 양자 암호학의 미래 응용에 필요한 광전자 장치뿐만 아니라 전기적으로 펌핑된 단일 광자 소스를 위한 길을 열었음.

본 연구 성과는 Nature Communications ("Synthetic control over the binding configuration of luminescent sp3-defects in single-walled carbon nanotubes")에 게재됨.