Resonance Raman Spectroscopy de Extreme nanofils et autres systèmes 1D

L’article décrit une méthode de production de nanofils extrêmes par infiltration de matière fondue dans des nanotubes de carbone et comment les systèmes 1D peuvent être caractérisés et étudiés à l’aide de la spectroscopie Raman par résonance pour déterminer les énergies d’excitation vibratoire et optique.

L’objectif global de cette procédure est de mesurer de manière fiable les résonances Raman aiguës des systèmes unidimensionnels, en fonction de la température de l’échantillon. Cette méthode peut aider à répondre à des questions clés dans le domaine des nanofils, telles que les énergies des excitations vibratoires et optiques, ainsi que la nature et la qualité des échantillons. Le principal avantage de cette technique est qu’elle permet l’association directe des modes vibrationnels et des états de transition électronique des nanofils dans des échantillons contenant plus d’une structure.

Joe Spencer, un étudiant diplômé de mon laboratoire, fera la démonstration des expériences Raman. Pour commencer cette procédure, préchauffez environ 50 milligrammes de nanotubes de carbone à paroi simple à 450 degrés Celsius dans de l’air sec. Dans une boîte à gants d’argon, broyez environ 20 milligrammes de nanotubes préchauffés avec un volume égal de matériau de remplissage, pendant plus de 20 minutes à l’aide d’un mortier d’agate et d’un pilon, en appliquant une force pour produire un mélange intime.

Dans la boîte à gants, transférez la quantité totale du mélange dans une ampoule en quartz de silice, scellée à une extrémité et ouverte à l’autre. Scellez l’ampoule contenant le mélange de nanotubes sous vide modéré. Dans un four à moufle, chauffez l’ampoule scellée à une vitesse de rampe d’environ cinq degrés Celsius par minute, jusqu’à environ 100 degrés Celsius au-dessus du point de fusion du matériau de remplissage.

Après avoir retiré l’ampoule refroidie du four, ouvrez-la pour une utilisation ultérieure. Après avoir préparé l’échantillon pour la spectroscopie Raman, réglez la longueur d’onde incidente à la valeur souhaitée à l’aide d’une source laser accordable, conformément au protocole du fabricant. Faites pivoter le réseau de vantage volumique, ou VBG, autour de l’axe vertical pour réduire la transmission du laser à travers le VBG.

Ensuite, affinez le réglage à l’aide du support de miroir VBG. Positionnez le miroir dans le faisceau réfléchi par le vantardise et rétro-réfléchissez le faisceau sur le VBG. Ajustez le miroir pour supprimer la transmission du faisceau rétroréfléchi à travers le VBG.

Ensuite, mesurez la puissance laser transmise par l’iris un. Ensuite, ajustez avec précision le VBG et le miroir rétroréfléchissant pour maximiser la transmission de la puissance laser. Ajustez les miroirs de post-filtre pour renvoyer le faisceau laser sur la trajectoire prédéfinie, en repositionnant les réflexions des séparateurs de faisceau concernés sur les deux caméras d’observation du faisceau.

Si le laser n’est pas positionné sur le même point d’échantillonnage, il peut provoquer une variation du signal de plus de 50 % en raison d’un changement de zone d’échantillonnage et de la façon dont la lumière est couplée au spectromètre. Mesurez l’énergie des photons laser en la diffusant indirectement dans le spectromètre. Ajustez la plaque demi-onde pour régler la puissance incidente sur l’objectif à environ un milliwatt.

À l’aide de l’optique d’imagerie, vérifiez l’image de l’échantillon et assurez-vous que le point laser se trouve à l’endroit souhaité sans stigmatisation. Ajustez la position de l’échantillon de sorte que le point laser soit focalisé sur une zone propre de silicium. À ce stade, réglez le spectromètre sur l’ordre zéro.

Utilisez la caméra d’observation intégrée au spectromètre pour visualiser l’image de la fente d’entrée sur le premier étage du spectromètre. Configurez le logiciel du spectromètre selon le protocole du fabricant, pour collecter la diffusion Raman à partir du pic Raman en silicium. Réglez la puissance sur 10 milliwatts.

Ensuite, prenez des spectres Raman répétés avec des expositions d’une seconde pour commencer la mise au point. Ensuite, ajustez la focale Z de l’échantillon jusqu’à ce qu’un pic de silicium bien défini à 520 centimètres inverses soit observé. Maximisez ce signal en ajustant la plaque demi-onde d’entrée, la lentille d’entrée et la mise au point Z de l’échantillon.

Réglez la température souhaitée à quatre Kelvin et laissez le système s’équilibrer pendant environ 40 minutes. Acquérez des spectres Raman à l’aide d’un appareil à couplage de charge qui se concentre sur des expositions d’une seconde, conformément au protocole du fabricant. Ajustez la position de mise au point Z de l’échantillon à l’aide de contrôleurs d’étage pour maximiser la puissance réfléchie au niveau de l’indicateur de puissance.

Enfin, acquérez un spectre Raman en utilisant un temps d’exposition approprié pour obtenir un signal suffisant. Plusieurs pics sont observés dans les spectres Raman des nanofils extrêmes, qui peuvent être attribués aux excitations vibratoires, y compris les pics Raman à un phonon et à plusieurs phonons. Un indicateur clé que des caractéristiques Raman spécifiques sont associées à des nanofils, plutôt qu’à des nanoparticules ou à des morceaux du matériau parent, est une dépendance caractéristique de polarisation comme celle illustrée ici.

La diffusion Raman d’un ensemble de systèmes unidimensionnels orientés de manière aléatoire est préférentiellement polarisée dans la même direction que la lumière laser excitante, avec un rapport de contraste de trois à un, et présente la forme caractéristique en huit. Des mesures représentatives de la dépendance de l’intensité de l’intensité de diffusion Raman des nanofils extrêmes de tellurure de mercure sont présentées ici. L’intensité Raman augmente d’abord de manière linéaire, avant de commencer à montrer un comportement non linéaire avec une tendance à saturation du signal.

Au fur et à mesure que la température augmente, la largeur du spectre s’élargit et le décalage central du mode s’adoucit. La baisse d’intensité en fonction de la température est principalement due à une diminution de la durée de vie cohérente des états optiques responsables de la résonance avec l’augmentation de la température, et constitue une preuve évidente que la diffusion Raman peut fournir des informations bien au-delà de ce qui est possible avec des mesures d’absorption. Lors de la tentative de cette procédure, il est important de ne pas oublier de surveiller la répétabilité du processus.

Le respect systématique de cette procédure devrait permettre à l’utilisateur d’obtenir des mesures répétées de la même longueur d’onde à 10 % près de l’intensité de diffusion Raman.