Las propiedades ópticas de los nanotubos de carbono son muy importantes para la ciencia de los materiales. La forma en que los nanotubos de carbono interactúan con la radiación electromagnética es única en muchos aspectos, como demuestran sus peculiares espectros de absorción, fotoluminiscencia (fluorescencia) y Raman.
Los nanotubos de carbono son materiales "unidimensionales" únicos, cuyas fibras huecas (tubos) tienen una estructura atómica y electrónica única y muy ordenada, y pueden fabricarse en una amplia gama de dimensiones. El diámetro suele variar entre 0,4 y 40 nm (es decir, un rango de ~100 veces). Sin embargo, la longitud puede alcanzar los 55,5 cm (21,9 pulgadas), lo que implica una relación longitud-diámetro de hasta 132.000.000:1, inigualable por ningún otro material.Xueshen Wang; et al. (2009). "Fabrication of Ultralong and Electrically Uniform Single-Walled Carbon Nanotubes on Clean Substrates". Nano Letters. 9 (9): 3137–41. Bibcode:2009NanoL...9.3137W. doi:10.1021/nl901260b. PMID 19650638. Por consiguiente, todas las propiedades electrónicas, ópticas, electroquímicas y mecánicas de los nanotubos de carbono son extremadamente anisótropas (dependientes de la dirección) y sintonizables.R. Zhang; et al. (2013). "Growth of Half-Meter Long Carbon Nanotubes Based on Schulz–Flory Distribution". ACS Nano. 7 (7): 6156–61. doi:10.1021/nn401995z. PMID 23806050.
Las aplicaciones de los nanotubos de carbono en óptica y fotónica están aún menos desarrolladas que en otros campos. Algunas de las propiedades que pueden dar lugar a un uso práctico son la sintonizabilidad y la selectividad de la longitud de onda. Entre las aplicaciones potenciales que se han demostrado se encuentran los diodos emisores de luz (LED),J. A. Misewich; et al. (2003). "Electrically Induced Optical Emission from a Carbon Nanotube FET". Science. 300 (5620): 783–786. Bibcode:2003Sci...300..783M. doi:10.1126/science.1081294. PMID 12730598. S2CID 36336745. los bolómetrosM. E. Itkis; et al. (2006). "Bolometric Infrared Photoresponse of Suspended Single-Walled Carbon Nanotube Films". Science. 312 (5772): 413–416. Bibcode:2006Sci...312..413I. doi:10.1126/science.1125695. PMID 16627739. S2CID 8365578. y las memorias optoelectrónicas.A. Star; et al. (2004). "Nanotube Optoelectronic Memory Devices". Nano Letters. 4 (9): 1587–1591. Bibcode:2004NanoL...4.1587S. doi:10.1021/nl049337f.
Aparte de las aplicaciones directas, las propiedades ópticas de los nanotubos de carbono pueden ser muy útiles en su fabricación y aplicación a otros campos. Los métodos espectroscópicos ofrecen la posibilidad de caracterizar de forma rápida y no destructiva cantidades relativamente grandes de nanotubos de carbono, con lo que se obtienen mediciones detalladas del contenido de carbono no tubular, el tipo y la quiralidad de los tubos, los defectos estructurales y muchas otras propiedades relevantes para esas otras aplicaciones.
Estructura geométrica Ángulo quiral Un nanotubo de carbono de pared simple (SWNTHe, Maoshuai; Zhang, Lili; Jiang, Hua; Yang, He; Fossard, Frédéric; Cui, Hongzhi; Sun, Zhipei; Wagner, Jakob B.; Kauppinen, Esko I.; Loiseau, Annick (2016). "Fe Ti O based catalyst for large-chiral-angle single-walled carbon nanotube growth". Carbon. 107: 865–871. doi:10.1016/j.carbon.2016.06.099. o SWCNT) puede imaginarse como una tira de una molécula de grafeno (una sola hoja de grafito) enrollada y unida en forma de cilindro. La estructura del nanotubo puede caracterizarse por la anchura del diámetro d del tubo y el ángulo (θ) de la tira respecto a los ejes principales de simetría de la red hexagonal de grafeno. Este ángulo, que varía de 0 a 30 grados, se denomina "ángulo quiral" del tuboy varía en función de las condiciones de crecimiento del nanotubo.
Notación (n, m) miniaturadeimagen|Representación "cortada y desenrollada" de un nanotubo de carbono como tira de una molécula de grafeno, superpuesta a un diagrama de la molécula completa (fondo tenue). El vector w (flecha azul grande) conecta las posiciones correspondientes en los dos bordes de la tira. Como , se dice que el tubo es del tipo (3,1). La estructura del nanotubo puede describirse mediante dos índices enteros (n,m) que describen la anchura y la dirección de esa hipotética banda como coordenadas en un marco de referencia fundamental de la red de grafeno. Si los átomos alrededor de cualquier anillo de 6 miembros del grafeno se numeran secuencialmente del 1 al 6, los dos vectores u y v de ese marco son los desplazamientos del átomo 1 a los átomos 3 y 5, respectivamente. Estos dos vectores tienen la misma longitud y sus direcciones están separadas 60 grados. El vector w = n u + m v se interpreta entonces como la circunferencia del tubo desenrollado en la red de grafeno; relaciona cada punto A1 de un borde de la tira con el punto A2 del otro borde que se identificará con él al enrollar la tira. El ángulo quiral α es entonces el ángulo entre u y w.S. B. Sinnott & R. Andreys (2001). "Carbon Nanotubes: Synthesis, Properties, and Applications". Critical Reviews in Solid State and Materials Sciences. 26 (3): 145–249. Bibcode:2001CRSSM..26..145S. doi:10.1080/20014091104189. S2CID 95444574.M. S. Dresselhaus; et al. (1995). "Physics of Carbon Nanotubes". Carbon. 33 (7): 883–891. Bibcode:1995Carbo..33..883D. doi:10.1016/0008-6223(95)00017-8.P. C. Eklund; et al. (1995). "Vibrational Modes of Carbon Nanotubes; Spectroscopy and Theory". Carbon. 33 (7): 959–972. Bibcode:1995Carbo..33..959E. doi:10.1016/0008-6223(95)00035-C.
Los pares (n, m) que describen estructuras de tubo distintas son aquellos con 0 ≤ m ≤ n y n > 0. Todas las propiedades geométricas del tubo, como el diámetro, el ángulo quiral y las simetrías, pueden calcularse a partir de estos índices.
El tipo también determina la estructura electrónica del tubo. Específicamente, el tubo se comporta como un metal si m - n es múltiplo de 3, y como un semiconductor en caso contrario. Así, a través de los índices disponibles, un tercio de los SWNTs son metálicos, y dos tercios son semiconductores.Los nanotubos de carbono verdaderamente metálicos con una brecha de banda mínima o inexistente se han definido sólo como aquellos en los que n = m.
Tubos en zigzag y armchair Los tubos de tipo (n, m) con n = m (ángulo quiral = 30°) se denominan "en silla de brazos" y los que tienen m = 0 (ángulo quiral = 0°) "en zigzag"
Estructura electrónica La óptica. Koziol, Krzysztof K. K.; Ducati, Cate; Windle, Alan H. (2010-09-14). "Carbon Nanotubes with Catalyst Controlled Chiral Angle". Chemistry of Materials. 22 (17): 4904–4911. doi:10.1021/cm100916m. ISSN 0897-4756.Todos los demás ángulos quirales producen lo que se conoce como nanotubos quirales.
Las propiedades de los nanotubos de carbono vienen determinadas en gran medida por su estructura electrónica única. El enrollamiento de la red de grafeno afecta a dicha estructura de formas que dependen en gran medida del tipo de estructura geométrica (n, m).
Singularidades de Van Hove izquierda|miniaturadeimagen|Un material 3D a granel (azul) tiene DOS continua, pero un alambre 1D (verde) presenta singularidades de Van Hove. miniaturadeimagen|400x400px Un rasgo característico de los cristales unidimensionales es que su distribución de densidad de estados (DOS) no es una función continua de la energía, sino que desciende gradualmente y luego aumenta en un pico discontinuo. Estos picos agudos se denominan singularidades de Van Hove. Por el contrario, los materiales tridimensionales (a granel) tienen DOS continuas.Kamimura, Hiroshi; Bhattacharya, Pallab; Fornari, Roberto, eds. (2011-01-28). Comprehensive Semiconductor Science and Technology. Vol. 1. Elsevier Science. p. 461. ISBN 978-0-08-093228-6.
Las singularidades de Van Hove dan lugar a las siguientes propiedades ópticas de los nanotubos de carbono:
Las transiciones ópticas se producen entre los estados v1 - c1, v2 - c2, etc., de los nanotubos semiconductores o metálicos y se etiquetan tradicionalmente como S11, S22, M11, etc., o, si la "conductividad" del tubo es desconocida o sin importancia, como E11, E22, etc.Las transiciones cruzadas c1 - v2, c2 - v1, etc., están prohibidas por dipolo y, por tanto, son extremadamente débiles, pero posiblemente se observaron utilizando geometría óptica de polarización cruzada.Y. Miyauchi; et al. (2006). "Cross-Polarized Optical Absorption of Single-Walled Nanotubes Probed by Polarized Photoluminescence Excitation Spectroscopy". Physical Review B. 74 (20): 205440. arXiv:cond-mat/0608073. Bibcode:2006PhRvB..74t5440M. doi:10.1103/PhysRevB.74.205440. S2CID 16144784. Las energías entre las singularidades de Van Hove dependen de la estructura del nanotubo. Así, variando esta estructura, se pueden sintonizar las propiedades optoelectrónicas del nanotubo de carbono. Este ajuste fino se ha demostrado experimentalmente utilizando iluminación UV de CNT dispersos en polímeros.K. Iakoubovskii; et al. (2006). "Midgap Luminescence Centers in Single-Wall Carbon Nanotubes Created by Ultraviolet Illumination" (PDF). Applied Physics Letters. 89 (17): 173108. Bibcode:2006ApPhL..89q3108I. doi:10.1063/1.2364157. Las transiciones ópticas son bastante agudas (~10 meV) y fuertes. Por consiguiente, es relativamente fácil excitar selectivamente nanotubos con determinados índices (n, m), así como detectar señales ópticas de nanotubos individuales.
Diagrama de Kataura miniaturadeimagen|En este gráfico de Kataura, la energía de una transición electrónica disminuye a medida que aumenta el diámetro del nanotubo. En 1999, Hiromichi Kataura diseñó un gráfico teórico basado en estos cálculos para racionalizar los resultados experimentales.S. Maruyama. "Shigeo Maruyama's Fullerene and Carbon Nanotube Site". Archivado del original 2012-12-20. Consultado 2008-12-08. Un gráfico de Kataura relaciona el diámetro del nanotubo y sus energías de banda prohibida para todos los nanotubos de un intervalo de diámetros.H. Kataura; et al. (1999). "Optical Properties of Single-Wall Carbon Nanotubes" (PDF). Synthetic Metals. 103 (1–3): 2555–2558. doi:10.1016/S0379-6779(98)00278-1. La forma oscilante de cada rama del gráfico de Kataura refleja la fuerte dependencia intrínseca de las propiedades de los SWNT del índice (n, m) más que de su diámetro.Liu, Chi-You; Hsiao, Jung-Yin; Li, Elise Y. (2023-05-01). "A global prediction of the Kataura plot for chiral carbon nanotubes: Topological family effect revealed in the natural helical crystal lattice scheme". Carbon. 208: 72–81. doi:10.1016/j.carbon.2023.03.035. ISSN 0008-6223.
Propiedades ópticas
Absorción óptica izquierda|miniaturadeimagen|Espectro de absorción óptica de nanotubos de carbono de pared simple dispersos