碳纳米管的光学性质可以通过缺陷设计得到改善。图片来源：Simon Settele/海德堡大学

　　碳基纳米材料特性可以通过引入某些结构“缺陷”加以改进。然而，控制这些缺陷的数量和类型一直是一项挑战。近日，德国海德堡大学研究人员演示了一种新反应途径以控制这种缺陷。这会导致特定的光学活性缺陷，即所谓的sp3缺陷，从而使碳纳米管进一步发光并可以发射单光子。近红外光的有效发射对于远程通信和生物成像具有重要意义。

　　通常，缺陷被认为是“坏”东西，会对材料性能产生负面影响。然而，在某些纳米材料中，例如碳纳米管，一些缺陷可以产生“好”作用，并使新功能成为可能。在这里，精确的缺陷类型是至关重要的。碳纳米管由卷起来的六边形sp2碳原子晶格片组成，这些空心管直径约为1纳米、长几微米。

　　通过一定的化学反应，晶格中的sp2碳原子可以转化为sp3碳原子。这改变了碳纳米管的局部电子结构，并导致了一个光学活性缺陷。这些缺陷在近红外波段发出的光更远，总体上比未被功能化的纳米管更能发光。

　　由于碳纳米管的几何形状，引入sp3碳原子的精确位置决定了缺陷的光学性质。“不幸的是，到目前为止，对缺陷形成的控制还非常有限。”海德堡大学教授Jana Zaumseil说。

　　该团队展示了一种新的化学反应途径，能控制缺陷并选择性地产生一种特定类型的sp3缺陷。这些光学活性缺陷比之前引入的任何缺陷都“好”。Zaumseil解释说，它们不仅更能发光，而且在室温下还能发射单光子。在这个过程中，一次只能发射一个光子，这是量子密码学和高度安全通信的先决条件。

　　专家认为，能够制造出大量具有特定缺陷且缺陷密度可控的纳米管，为光电器件和电泵单光子源发展铺平了道路。相关论文近日刊登于《自然—通讯》。（鲁亦）

　　相关论文信息：http://dx.doi.org/10.1038/s41467-021-22307-9