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《超洁净纳米管真实空间中的电子 - 声子耦合》

  • 来源专题：纳米科技
  • 编译者： 郭文姣
  • 发布时间：2014-09-01

  • 电子与声子之间的耦合是自然界中许多基本现象的核心。尽管在控制工程纳米系统电子或声子的巨大进步，控制其耦合仍然被广泛缺乏。该篇报道采用一种新的悬浮碳纳米管设备完全定制电子声子相互作用的能力，我们可以沿着纳米管机械谐振器在任意位置形成高度可调的单，双量子点。我们发现，可以通过控制沿谐振器中量子点的位置来开启和关闭电子 - 声子耦合。采用双量子点，我们在真实空间构造了结合特定电子及声子模式的相互作用。这个完全定制的耦合允许测量声子的空间宇称，以及对振型进行成像。文章最后证明，一个孤立系统中声子和内部电子的耦合，从电子引线的随机环境中解耦，对于充分实现工程化的电声系统是一个关键步骤。

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相关报告

  • 《Nature：中科大实现分子间相干偶极耦合的实空间直接观察》
    • 来源专题：福建物质结构研究所所级服务
    • 编译者：fjirsmyc
    • 发布时间：2016-04-01
    • 最近，中国科学技术大学单分子科学团队的董振超研究小组利用纳腔等离激元增强的亚纳米空间分辨的电致发光技术，在国际上首次实现在单分子水平上对分子间偶极耦合的直接成像观察，从实空间上展示了分子间能量转移的相干特征。《自然》杂志于3月31日发表了这项成果（Visualizing coherent intermolecular dipole–dipole coupling in real space, Nature, 2016, DOI: 10.1038/nature17428）。同期的“News and Views”栏目中以“耦合分子的特写镜头”（A close-up view of coupled molecules）为题对该工作进行评述。 分子间的能量转移是维系生命及其演化的重要方式，也是实现化学反应、构造分子功能材料的重要手段。大量的研究表明，分子间的能量转移可以通过分子间的偶极耦合来实现。偶极是表征分子内电荷空间分布的一个物理参量，偶极耦合是分子间库伦相互作用的一种基本形式。直觉上人们通常认为，分子间的能量转移应该是以递进式的非相干传递来实现的，即由接受能量的分子传送给相邻的下一个分子。尽管不断有新的实验数据表明，分子间的高效能量转移可能具有一定的相干性，但由于受空间分辨的局限，对于这种相干性的形式和特性一直缺乏直接的认识。 该研究团队通过巧妙调控局限在一个纳米腔室内的电场频率和强度，为单分子物理化学研究提供了新的可能性。“局域电场的共振增强调控和扫描隧道显微镜（STM）操纵技术的巧妙结合，使我们得以直接观察分子间相干能量传递的奥秘。”董振超介绍，他们操纵扫描隧道显微镜的针尖，构筑出两个锌酞青分子的二聚体结构，采用电子激发发光方式，对该结构不同能量状态的偶极耦合模式分别进行了亚纳米空间分辨的电致发光成像。 图注：左图为实验的艺术渲染图。右图为利用亚纳米分辨的光谱成像技术，对锌酞菁染料分子二聚体的各种偶极耦合方式的实空间成像表征。图来源：ustc.edu.cn 他们发现，局域电子的激发能量迅速被整个分子二聚体所共有，构成了一个单激子量子纠缠体系，而且不同的偶极耦合能态的光子成像图案具有类似σ或π成键反键轨道的空间分布特征。这些空间特征不仅反映了分子二聚体的局域光学响应特性，而且还直观地揭示了分子二聚体中各个单体跃迁偶极之间的相干耦合方向和相位信息。 以二聚体纠缠体系获得的认识和规律作为指导，他们还进一步构筑了多分子纠缠的人工分子链结构，并通过研究发光最亮的偶极耦合模式的实空间成像特征，提出了实现可调控的电致“单分子”超辐射荧光的方法。这项研究为深入理解分子体系的相干偶极耦合提供了实空间信息，为分子捕光结构的优化以及量子纠缠光源的制备与调控提供了新的思路。 （摘自 中国科学技术大学）
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  • 《碳纳米管：个性十足的神奇材料》
    • 来源专题：中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
    • 编译者：guokm
    • 发布时间：2018-07-27
    • 　　近日，中国科学技术大学化学与材料学院杜平武教授课题组，首次利用纳米管稠环封端“帽子”模板，构建出纵向切割的纳米管弯曲片段。这种通过三个弯曲型分子连接两个石墨烯单元的方法，可直接得到纳米笼状结构，为构建封端锯齿型碳纳米管提供了新思路。相关研究成果发表在最新一期《德国应用化学》上。 　　无独有偶。几乎在同时，以研制出世界上第一颗原子弹而闻名于世的洛斯阿拉莫斯实验室的研究人员，使用功能化碳纳米管生产出首个能在室温下使用通信波长发射单光子的碳纳米管材料。神奇材料碳纳米管，为何如此受各国科学家追捧？ 　　空间结构像“挖空的足球” 　　1985年，“足球”结构的C60一经发现即吸引了全世界的目光。将“足球”挖空，保持表面的五角和六角网格结构，再沿着一个方向扩展六角网格，并赋予平面网格以碳—碳原子和共价键，就形成了具有中空圆柱状结构的碳纳米管。 　　碳纳米管是一种具有特殊结构的一维量子材料。其主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管，层与层之间保持固定的距离，约0.34纳米，直径一般为2—20纳米。 　　“可以将碳纳米管联想为头发丝，而实际上它的直径只有头发丝的几万分之一，即几万根碳纳米管并排起来才与一根头发丝相当。”杜平武教授告诉科技日报记者，作为典型的一维纳米结构，单层碳原子和多层碳原子网格卷曲而成的单壁与多壁碳纳米管，直径通常为0.8—2纳米和5—20纳米，目前报道的最细碳纳米管直径可小至0.4纳米。 　　杜平武告诉记者，碳纳米管可以看做是石墨烯片层卷曲而成，因此按照石墨烯片的层数可分为：单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。若依其结构特征，碳纳米管则可分为扶手椅形纳米管和锯齿形纳米管等几种类型。 　　制备方法是挑战 　　“通常的碳纳米管制备方法主要有电弧放电法、激光烧蚀法、化学气相沉积法、固相热解法、辉光放电法、气体燃烧法以及聚合反应合成法等。”杜平武告诉记者，电弧放电法是生产碳纳米管的主要方法。1991年日本物理学家饭岛澄男就是从电弧放电法生产的碳纤维中首次发现的碳纳米管。“这种方法比较简单，但很难得到纯度较高的碳纳米管，并且得到的往往都是多层碳纳米管，而实际研究中人们往往需要的是单层碳纳米管。” 　　“随后科研人员又发展出了化学气相沉积法，在一定程度上克服了电弧放电法的缺陷，得到的碳纳米管纯度比较高，但管径不整齐，形状不规则。”杜平武说，后续逐步发展起来的固相热解法等，均受限于环境和条件。 　　“碳纳米管的制备过程与有机合成反应类似，其副反应复杂多样，很难保证同一炉碳纳米管均为扶手椅形纳米管或锯齿形纳米管。”杜平武说，在强酸、超声波作用下，碳纳米管可以先断裂为几段，再在一定纳米尺度催化剂颗粒作用下增殖延伸，而延伸后所得的碳纳米管与模板的卷曲方式相同。 　　“如果通过类似于DNA扩增的方式对碳纳米管进行增殖，那么只需找到少量的扶手椅形纳米管或锯齿形纳米管，便可在短时间内复制、扩增出数量几百万倍于模板数量的、同类型的碳纳米管。”杜平武说，这可能会成为制备高纯度碳纳米管的新方式。 　　性能及尺寸超越硅基材料 　　“碳纳米管具有完美的一维管式结构，碳原子以碳—碳共价键结合，形成自然界中最强的化学键之一，因此轴向具有很高的强度和韧性。此外六角平面蜂窝结构围成的管壁侧面没有悬挂键，所以碳纳米管具有稳定的化学特性。”杜平武说，碳纳米管优异的性能表现在电学、热学和光学等方面，具有超越传统的导电、导热特性等等。 　　2013年，斯坦福大学科学家制备了由平行排列的单壁碳纳米管为主要元器件的世界上最小“计算机”。近两年，碳纳米管电子器件的性能及尺寸又一次次被突破，势在超越并最终取代目前商用的硅基器件。 　　碳纳米管还可以制成透明导电的薄膜，用作触摸屏的替代材料。且原料是甲烷、乙烯、乙炔等碳氢气体，不受稀有矿产资源的限制。碳纳米管触摸屏具有柔性、抗干扰、防水、耐敲击与刮擦等特性，可以做成曲面，已在可穿戴装置、智能家具等领域得到应用。 　　碳纳米管还给物理学家提供了研究毛细现象的最细毛细管，给化学家提供了进行纳米化学反应的最细试管，科学家甚至研制出能称量单个原子的“纳米秤”。“我国在碳纳米管材料的基础研究方面处于领先地位，结构均一性的控制方法和理论不断创新，控制指标也逐年刷新。”杜平武说。
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