Rezonansowa spektroskopia Ramana ekstremalnych nanodrutów i innych systemów 1D

Ogólnym celem tej procedury jest wiarygodny pomiar ostrych rezonansów ramanowskich układów jednowymiarowych w funkcji temperatury próbki. Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania w dziedzinie nanodrutów, takie jak energie wzbudzeń wibracyjnych i optycznych oraz charakter i jakość próbek. Główną zaletą tej techniki jest to, że pozwala ona na bezpośrednie powiązanie modów wibracyjnych i elektronowych stanów przejściowych nanodrutów w próbkach zawierających więcej niż jedną strukturę.

Joe Spencer, doktorant w moim laboratorium, będzie demonstrował eksperymenty Ramana. Aby rozpocząć tę procedurę, podgrzej około 50 miligramów jednościennych nanorurek węglowych do 450 stopni Celsjusza w suchym powietrzu. W komorze rękawicowej z argonem zmielić około 20 miligramów wstępnie podgrzanych nanorurek z równą objętością materiału wypełniającego, przez ponad 20 minut za pomocą moździerza agatowego i tłuczka, przykładając siłę w celu uzyskania intymnej mieszanki.

Znajdując się w schowku na rękawiczki, przenieś całą ilość mieszaniny do ampułki z kwarcu krzemionkowego, uszczelnionej z jednej strony i otwartej z drugiej. Szczelnie zamknąć ampułkę zawierającą mieszaninę nanorurek w warunkach umiarkowanej próżni. W piecu muflowym podgrzej szczelnie zamkniętą ampułkę z prędkością około pięciu stopni Celsjusza na minutę, do około 100 stopni Celsjusza wyższej niż temperatura topnienia materiału wypełniającego.

Po wyjęciu schłodzonej ampułki z pieca należy ją rozbić do dalszego użycia. Po przygotowaniu próbki do spektroskopii Ramana należy ustawić długość fali padającej na żądaną wartość za pomocą przestrajalnego źródła laserowego, zgodnie z protokołem producenta. Obróć siatkę do przechwałek głośności (VBG) wokół osi pionowej, aby zmniejszyć transmisję lasera przez VBG.

Następnie dostrój za pomocą mocowania lustra VBG. Ustaw lustro w wiązce odbitej przez Braga i odbij wiązkę z powrotem na VBG. Wyreguluj lusterko, aby stłumić transmisję wiązki odbitej przez VBG.

Następnie zmierz moc lasera przesyłaną przez tęczówkę pierwszą. Następnie dokładnie wyreguluj VBG i lustro odblaskowe, aby zmaksymalizować transmisję mocy lasera. Dostosuj lustra po filtrze, aby przywrócić wiązkę laserową na wstępnie zdefiniowaną ścieżkę, zmieniając położenie odbić od odpowiednich rozdzielaczy wiązki na dwie kamery obserwacyjne wiązki.

Jeśli laser nie jest umieszczony w tym samym punkcie próbki, może spowodować więcej niż 50% zmiany sygnału ze względu na zmianę obszaru próbkowania i sposobu sprzężenia światła ze spektrometrem. Zmierz energię fotonów laserowych poprzez pośrednie rozpraszanie w spektrometrze. Wyreguluj płytkę półfalową, aby ustawić moc padającą na obiektyw na około jeden miliwat.

Korzystając z optyki obrazowej, sprawdź przykładowy obraz i upewnij się, że plamka lasera znajduje się w żądanym miejscu bez stygmatyzacji. Dostosuj pozycję próbki tak, aby plamka lasera była skupiona na czystym obszarze krzemu. W tym momencie ustaw spektrometr na zerową kolejność.

Użyj kamery obserwacyjnej wbudowanej w spektrometr, aby wyświetlić obraz szczeliny wejściowej na pierwszym stopniu spektrometru. Skonfiguruj oprogramowanie spektrometru zgodnie z protokołem producenta, aby zebrać rozpraszanie Ramana z piku Ramana krzemu. Ustaw moc na 10 miliwatów.

Następnie wykonaj powtarzające się widma Ramana z jednosekundową ekspozycją, aby rozpocząć ustawianie ostrości. Następnie dostosuj ognisko Z próbki, aż do zaobserwowania dobrze zdefiniowanego piku krzemu o długości 520 centymetrów odwrotnych. Zmaksymalizuj ten sygnał, dostosowując wejściową płytkę półfalową, soczewkę wejściową i ognisko Z próbki.

Ustaw żądaną temperaturę na cztery kelwiny i pozwól systemowi osiągnąć równowagę przez około 40 minut. Uzyskaj widma Ramana za pomocą urządzenia ze sprzężeniem ładunkowym, skupiającego się na jednosekundowych ekspozycjach, zgodnie z protokołem producenta. Dostosuj pozycję ostrości Z próbki za pomocą stage kontrolery, aby zmaksymalizować moc odbitą na mierniku mocy.

Na koniec uzyskaj widmo Ramana za pomocą odpowiedniego czasu ekspozycji, aby uzyskać wystarczający sygnał. W widmach ramanowskich skrajnych nanodrutów obserwuje się kilka pików, które można przypisać wzbudzeniom wibracyjnym, w tym zarówno jednofononowym, jak i wielofononowym pikom Ramana. Kluczowym wskaźnikiem wskazującym na to, że określone cechy Ramana są związane z nanodrutami, a nie z nanocząstkami lub grudkami materiału macierzystego, jest charakterystyczna zależność polaryzacji, taka jak pokazana tutaj.

Rozpraszanie Ramana z zespołu losowo zorientowanych układów jednowymiarowych jest preferencyjnie spolaryzowane w tym samym kierunku co wzbudzające światło laserowe, ze stosunkiem kontrastu trzy do jednego i pokazuje charakterystyczny kształt ósemki. Reprezentatywne pomiary zależności intensywności wzbudzenia od intensywności rozpraszania Ramana ekstremalnych nanodrutów tellurku rtęci przedstawiono tutaj. Intensywność Ramana początkowo wzrasta liniowo, zanim zacznie wykazywać nieliniowe zachowanie z tendencją do nasycania sygnału.

Wraz ze wzrostem temperatury szerokość widma rozszerza się, a przesunięcie środka modu łagodnieje. Spadek intensywności w funkcji temperatury wynika głównie ze spadku czasu życia koherentnego stanów optycznych odpowiedzialnych za rezonans wraz ze wzrostem temperatury i jest wyraźnym dowodem na to, że rozpraszanie Ramana może dostarczyć informacji znacznie wykraczających poza to, co jest możliwe przy pomiarach absorpcji. Podejmując tę procedurę, należy pamiętać o monitorowaniu powtarzalności procesu.

Systematyczne przestrzeganie tej procedury powinno pozwolić użytkownikowi na uzyskanie powtarzających się pomiarów tej samej długości fali z dokładnością do 10% intensywności rozpraszania Ramana.