Ljus från kolnanorör – min första artikel


Fig. 1) Ljus från en film med kolnanorör i en vakuumkammare. “Pinnen” är en elektrod (med diameter 4 mm) och det svarta en nanorörfilm. När en spänning läggs mellan elektroden och nanorören ser man ljus.

Så här alldeles i början av det nya året så gör vi en lång tillbakablick till min allra första vetenskapliga artikel. Artikeln som publicerades i Applied Physics Letters var resultatet av ett sommarjobb som jag gjorde sista året på grundutbildningen i fysik vid Göteborgs universitet. Jag minns att det var en fin sommar, som jag spenderade i ett mörkt labb utan fönster för att titta på en liten ljusprick från en film med kolnanorör.

Det här ljuset sågs av en tillfällighet av en doktorand, Martin Sveningsson, när han mätte fältemission från kolnanorören. Fältemission är ett fenomen som är nära förknippat med kvantmekanisk tunnling och är elektroner som dras loss från en yta om man lägger på ett starkt elektriskt fält. I normala fall handlar det om fältstyrkor på flera hundra MV/m (dvs flera hundra miljoner volt per meter). Från mycket spetsiga ledare, som kolnanorör, kan det räcka med ett mycket mindre fält, runt 1 MV/m, för att man skall få ut stora mängder elektroner (alltså elektrisk ström). Fast istället för att leka med tiotusentals volt över centimetrar, vilket är rätt komplicerat, så hade vi ett avstånd på 100 µm mellan nanorören och katoden och en spänning på runt 100 V.

Fig. 2) Skiss av spektrumet vi mätte från nanorörsfilmen.

När doktoranden såg att det kom ljus från nanorören fick jag som sommarjobb i uppgift att sätta ihop en spektrometer med kamera och mäta ljusspektrumet från rören. Det fanns spekulationer om att ljusemissionen från nanorör skulle ha diskreta toppar som kom från molekylenerginivåer, så kallade “dangling bonds“, i toppen på nanorören. När vi lyckats sätta upp utrustningen gjort våra första mätningar av spektrumet från nanorören såg vi något som liknade skissen i fig 2. Kanske var det vad vi var ute efter. Vi visade våra resultat för professorn och hon tyckte det såg väldigt intressant ut.

Medan hon tog våra preliminära resultat för att fundera över och visa för en teoretiker så gick jag tillbaka till labbet för att fortsätta mätningarna. Jag ändrade inställningar, testade andra typer av nanorörsfilmer, och alltid såg jag samma resultat. En dag – jag kommer inte ihåg varför, kanske var det för någon kalibrering, kanske lekte jag bara – mätte jag emissionsspektrumet från en glödlampa. Glödlampor lyser för att de är varma, och sådana ljuskällor ger en strålprofil som kallas för svartkroppsstrålning*. Men istället för det förväntade spektrumet såg jag något som liknade Fig. 2. Jag var rätt säker på att det inte fanns några “dangling bonds” i wolframglödtrådar!

Det visade sig att kameran vi använt var byggd för att vara väldigt känslig för svagt ljus och att man därför gjort CCDn jättetunn. Detta kan leda till problem med interferens, när ljuset reflekteras i fram- och baksidan på chipet. Sådana kameror är inte lämpliga att använda för spektroskopi, något som tydligen var ett känt problem – fast inte för oss nybörjare. Det var inte så kul att gå och visa de resultaten för chefen. Tydligen var en artikel nästan färdigskriven och skulle skickas till en fin tidskrift (PRL) så fort lite mer data kom in…

Fig. 3) Ljusemissionen från nanorörsfilmerna mätt vid olika strömtätheter. De svarta kurvorna är anpassningar till Plancks strålningslag.

Efter att bytt ut kameran och samlat ihop nya spektran kom vi fram till den något tråkigare slutsatsen att det var vanlig svartkroppsstrålning som syntes. Det som händer är att när spänningen når ett visst tröskelvärde kommer en ganska stor ström att flyta genom nanorören. Eftersom de inte är perfekta ledare, utan har en viss resistans värms de upp av så kallad Ohmsk uppvärming, precis som glödtråden i en lampa. Vi kunde visa att den totala ljusemissionen berodde på strömmen på rätt sätt för att vi verkligen skulle vara säkra på att det var just Ohmsk uppvärming och inte någon annan effekt.

Det hade naturligtvis varit mycket häftigare att se roliga kvanteffekter istället för världens sämsta glödlampa. Men min labbkollega Martin fortsatte att undersöka fältemission från nanorör och publicerade flera intressanta artiklar på ämnet där han undersökte återkopplingen mellan temperatur och ström vid fältemission.

Kolnanorör är ett hett forskningsfält – då och fortfarande, även och en del av strålglansen tagits över av grafen – vilket märks på hur väl citerade artiklar inom ämnet är. Det är kanske lite trist att det här fortfarande är min mest citerade artikel…

* Svartkroppsstrålning i sig är en mycket intressant historia. Formeln som beskriver strålningen togs fram av Max Planck år 1900 och introducerade kvantifiering av energi. Det ses som en direkt startpunkt för utvecklingen av kvantfysiken, och därmed kanske en av de allra viktigaste upptäckterna i vetenskapshistorien. Engelska Wikipedia ger en ok introduktion till ämnet, men det finns åtskilliga böcker skrivna om den här perioden. En som jag rekommenderar är “Quantum: Einstein, Bohr and the Great Debate About the Nature of Reality” av Manjit Kumar.

Leave a comment

Your email address will not be published. Required fields are marked *