CN101308889B - 提高半导体型碳纳米管发光效率的方法 - Google Patents

提高半导体型碳纳米管发光效率的方法 Download PDF

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本发明一种提高半导体型碳纳米管发光效率的方法，其特征在于，该方法包括：制备含有不同带隙半导体型碳纳米管的碳纳米管束；把碳纳米管束准备成发光器件，选择能量与碳纳米管束中的宽带隙半导体型碳纳米管的带隙相接近或相等的激发光去激发碳纳米管束来提高碳纳米管束中窄带隙半导体型碳纳米管的光致发光效率；或者把碳纳米管束准备成发光器件，在碳纳米管束两端施加偏压，来提高碳纳米管束中窄带隙半导体型碳纳米管的电荧光发光效率。

Description

提高半导体型碳纳米管发光效率的方法
技术领域
本发明涉及半导体近红外光源和半导体近红外发光二极管，特别是指一种提高半导体型碳纳米管发光效率的方法。
背景技术
碳纳米管是由由石墨烯片层围成的一种管状结构。碳纳米管可以通过结构指数(n，m)来表征。碳纳米管的直径从零点五纳米一直变化到几纳米。相对于其它纳米材料，碳纳米管具有很多独特的性质。三分之一的碳纳米管具有金属性，而另外三分之二的碳纳米管具有半导体性。由于碳纳米管的直径分布范围非常广，使得半导体型碳纳米管的带隙从可见光变化到远红外。另外，由于碳纳米管的半径非常小，其电子和空穴都被限制在非常小的尺度范围内，电子和空穴之间的强烈库仑相互作用使得电子空穴对形成了激子。碳纳米管激子的激子束缚能非常大，从几十毫电子伏特变化到一个电子伏特，这些激子束缚能与碳纳米管的直径，手性和介电屏蔽等有关。因此，即使在常温的情况下，半导体碳纳米管的激子仍然能稳定地存在。激子也就决定了半导体碳纳米管的光学性质。半导体碳纳米管的发光也就以激子发光为主，不同碳纳米管的发光波长从近红外(大约800纳米)一直变化到几个微米。因此，碳纳米管是一种理想的近红外光源。但是，最近的研究表明，碳纳米管的发光效率非常低，只有千分之一左右，其原因主要在于碳纳米管具有一个能量最低的暗激子态，同时，碳纳米管中还存在各种非常快的非辐射复合发光过程。因此，如何提高碳纳米管的发光效率，是碳纳米管在发光二极管等方面应用所需要迫切解决的一个问题。
将相同的(n，m)半导体型碳纳米管组成碳纳米管束，可以通过提高发光的碳纳米管数量来提高发光强度。但是，由于光激发的激子可以通过碳纳米管之间的额外驰豫渠道发生非辐射复合，因此从本征上，这种方法并不能通过碳纳米管的发光效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高半导体型碳纳米管发光效率的方法，利用这种方法，可以非常显著地提高半导体型碳纳米管的发光效率。可以有效地把此方法应用于半导体型碳纳米管的各种发光器件，来提高发光器件的发光强度和发光效率。
本发明提供一种提高半导体型碳纳米管发光效率的方法，其特征在于，该方法包括：
制备含有不同带隙半导体型碳纳米管的碳纳米管束；
把碳纳米管束准备成发光器件，选择能量与碳纳米管束中的宽带隙半导体型碳纳米管的带隙相接近或相等的激发光去激发碳纳米管束来提高碳纳米管束中窄带隙半导体型碳纳米管的光致发光效率；
或者把碳纳米管束准备成发光器件，在碳纳米管束两端施加偏压，来提高碳纳米管束中窄带隙半导体型碳纳米管的电荧光发光效率。
其中碳纳米管束全部由半导体型碳纳米管组成，或者含有少量的金属型碳纳米管。
其中制备碳纳米管束的方法包括：
a)利用微机械将不同碳纳米管组合成碳纳米管束；
b)利用物理和化学方法直接生长碳纳米管束；
c)把碳纳米管溶解到化学试剂中，通过化学物理方法分离和获取不同尺寸的碳纳米管束。
其中激发光包括激光，由发光二极管和广谱光源发出的光。
其中当在碳纳米管束两端施加偏压时，需要在碳纳米管束两端制备欧姆电极接触。
本发明的一种提高半导体型碳纳米管发光效率的方法，可以应用于半导体型碳纳米管的各种发光器件，用来提高发光器件的发光强度和发光效率。
附图说明
为进一步说明本发明的内容及特点，以下结合附图及实施例对本发明方法作一详细的描述，其中：
图1是不同激发光能量激发下碳纳米管束溶液的光致发光谱和碳纳米管束溶液的光致发光激发光谱。
具体实施方式
一种提高半导体型碳纳米管发光效率的方法，该方法包括：
制备含有不同带隙半导体型碳纳米管的碳纳米管束；该碳纳米管束全部由半导体型碳纳米管组成，或者含有少量的金属型碳纳米管；
其中制备碳纳米管束的方法包括：
a)利用微机械将不同碳纳米管组合成碳纳米管束；
b)利用物理和化学方法直接生长碳纳米管束；
c)把碳纳米管溶解到化学试剂中，通过化学物理方法分离和获取不同尺寸的碳纳米管束
把碳纳米管束准备成发光器件，选择能量与碳纳米管束中的宽带隙半导体型碳纳米管的带隙相接近或相等的激发光去激发碳纳米管束来提高碳纳米管束中窄带隙半导体型碳纳米管的光致发光效率；其中激发光包括激光，发光二极管和广谱光源；
或者把碳纳米管束准备成发光器件，在碳纳米管束两端施加偏压，来提高碳纳米管束中窄带隙半导体型碳纳米管的电荧光发光效率；其中当在碳纳米管束两端施加偏压时，需要在碳纳米管束两端制备欧姆电极接触。
制备含有不同带隙半导体型碳纳米管的纳米管束的方法很多。作为实例，我们把碳纳米管溶解到化学试剂中，通过化学物理方法分离和获取不同尺寸的碳纳米管束，其具体方法如下：将一定量的半导体型碳纳米管含量很多的一种碳纳米管加入到重水，重水中含有1-2wt％的十二烷基苯磺酸钠，将其置入超声系统超声数小时，使得碳纳米管分散到重水中；随后马上用0.7微米的纤维玻璃滤纸过滤超声后的纳米管溶液，并立即用离心机离心数小时，取出上半部分清澈的纳米管溶液。通过调节实验条件，最后上半部分清澈的纳米管溶液基本上只含有被表面活性剂包裹的碳纳米管束。
一般含单根碳纳米管的溶液为无色透明的溶液。但我们制备的碳纳米管束溶液颜色发灰，说明溶液中包含大量的碳纳米管束。
为了研究碳纳米管束的发光效率，我们用不同的激发光激发碳纳米管束溶液得到了碳纳米管束溶液得光致发光(PL)光谱和光致发光激发(PLE)光谱。光谱如图1所示。
从图1中的PL光谱可以看出，当用波长为568纳米(其能量正好等于(6，5)半导体型碳纳米管第二电子能带所对应的激子态能量)激发碳纳米管时，(6，5)半导体型碳纳米管的带边(位于982纳米)发光强度基本上与激发波长为831纳米时所获得的相应强度相接近。由于831纳米激发光对于(6，5)半导体型碳纳米管来说，是非共振激发，因此所激发的激子数量比568纳米激发光所激发的激子数量要少很多。但它们相近的荧光强度说明在831纳米激发光下，(6，5)半导体型碳纳米管具有更高的发光效率。由于831纳米激发光对应的能量正好等于(5，4)半导体型碳纳米管的带隙，因此，选择能量与碳纳米管束中宽带隙半导体型碳纳米管(比如(5，4)碳纳米管)的带隙相接近或相等的激发光去激发碳纳米管束来提高碳纳米管束中窄带隙半导体型碳纳米管(比如(6，5)碳纳米管)的光致发光效率。
图1中的PLE给出了不同激发光能量激发下带边位于1246纳米的(9，5)碳纳米管的发光强度。可以看出，当激发光能量等于宽带隙(6，5)碳纳米管的带边时，窄带隙(9，5)碳纳米管的发光强度最大。这进一步说明了宽带隙碳纳米管的激发可以提高窄带隙碳纳米管的发光效率。
对于碳纳米管的电致发光器件，由于在宽带隙碳纳米管中产生的激子可以很快传输到窄带隙碳纳米管中，也可以提高窄带隙碳纳米管的发光效率。
以上实例说明，通过制备含有不同带隙半导体型碳纳米管的纳米管束，并把纳米管束制备成发光器件，在宽带隙碳纳米管中产生的激子可以很快传输到窄带隙碳纳米管并在窄带隙碳纳米管的带边复合，从而可以提高窄带隙碳纳米管的发光效率。

Claims (3)

1.一种提高半导体型碳纳米管发光效率的方法，其特征在于，该方法包括：
制备含有不同带隙半导体型碳纳米管的碳纳米管束；
其中制备碳纳米管束的方法包括：
a)利用微机械将不同碳纳米管组合成碳纳米管束；
b)利用物理和化学方法直接生长碳纳米管束；
c)把碳纳米管溶解到化学试剂中，通过化学物理方法分离和获取不同尺寸的碳纳米管束；
把碳纳米管束准备成发光器件，选择能量与碳纳米管束中的宽带隙半导体型碳纳米管的带隙相接近或相等的激发光去激发碳纳米管束来提高碳纳米管束中窄带隙半导体型碳纳米管的光致发光效率。
2.根据权利要求1所述的提高半导体型碳纳米管发光效率的方法，其特征在于，其中碳纳米管束全部由半导体型碳纳米管组成，或者含有少量的金属型碳纳米管。
3.根据权利要求1所述的提高半导体型碳纳米管发光效率的方法，其特征在于，其中激发光包括激光，由发光二极管和广谱光源发出的光。
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