Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Engineering

Aşırı Nanotel ve Diğer 1D Sistemleri Rezonans Raman Spektroskopisi

doi: 10.3791/53434 Published: April 28, 2016

Introduction

Raman Spektroskopisi ve Rezonans Raman spektroskopisi yaygın bilimsel ve teknolojik sömürülmektedir köklü teknikler bulunmaktadır. İlk 1928 1'de Raman kendisi tarafından bildirilen iken Raman spektroskopisi yaygın kullanılmasının anahtarı yüksek yoğunluklu, dar bant genişliği uyarma kaynakları sağlamak için lazerler, Rezonans Raman durumunda ayarlanabilir lazerler, geliştirilmesi oldu. Rezonans Raman saçılması ~ 1-5 atomların çapları, örneğin nanoteller temel fizik soruşturma ve genel ve aşırı nanotellerin 1D sistemlerinin örnekleri tanımlamak için özellikle önemli bir yöntemdir Bu yüzden kağıt ortaya koyar. Ayrıca, Raman bu nanotellerinin spektroskopi ve bu üstesinden gelmek ve böylece bu sistemlerde Raman saçılma verimliliği lazer enerjisinin bağımlılığı yüksek tekrarlanabilirliği ölçümleri elde edilmesine olanak tanıyan bir protokole belirli zorluklar anlatılır.

Exte geniş bir yelpazesi vardırÇalışmanın ve uygulama için kullanılabilir, aynı zamanda nanotellerin olarak da bilinen NDED, kristal 1D kuantum sistemleri,. Bu buhar-sıvı-katı büyümüş yarıiletken nanoteller 2, lithographically tanımlanan nanoteller 3, anodik alümina içeren ve aşındırma membran şablon nanoteller 4 ve diğerleri izler. Bu sistemlerde ilginin önemli bir nedeni de yapı boyunca serbestçe hareket elektron ve diğer zorlamalara için yeteneği ile büyük kuantum hapsi etkileri birleştirebilirsiniz olmasıdır. Bazı bakımlardan nanotellerdir nedeniyle serbest ücretleri 5 elektromanyetik tarama azaltılmış, örneğin kendi ana malzeme, oldukça farklı ve bazı durumlarda balistik ulaşım 6 giden elektron saçılması azaltılabilir. Ancak, birçok bakımdan nanotellerdir hala yerel bağ ve kristal yapısı, örneğin, gibi toplu olarak vardır, ve neredeyse her zaman atomik ölçekte elektronik dalga fonksiyonları temel kalite sadece zayıf bu yüzden toplu karşılaştırıldığında modifiye edilirzarf yaklaşım olduğunu 7 geçerlidir. Kapalı yönleri boyutları birkaç atomuna indirgenir ancak gibi, tamamen yeni bir yapışma olan nanotellerin daha önce hiç görülebilir allotropes 8-10 oluşturucu oluşabilir. Bu nanotellerdir iki anlamda ekstrem; onlar kesiti 11-13 olası azalma aşırı limitte ve onlar aşırı özelliklere 10,13,14 var.

Rezonans Raman spektroskopisi başlanmadan önce, aşırı nanotel örnekleri üretmek için gereklidir. Bu nanoteller üretmek için bu yazıda ortaya konan metodoloji tek duvarlı karbon nanotüpler içine malzemelerin erime sızma olduğunu. Infiltrasyon eritin en son (yani fullerenler) ve bazı ikili tuzları sürekli dolu tek duvarlı karbon nanotüpler (SWNT), bazı moleküllerin giriş için popüler diğer varlık yüceltme, elde etmek için kullanılan iki yüksek verim dolgu protokollerden biridir CsI ​​13. İkinci yöntem Kantitatif doldurmak yakınındaki üretirken, malzemenin büyük ölçüde SWNT sokulabilir dolgular sayısını ve türünü kısıtlar ki gerekir kolaylıkla üstün tanıtılacak olması ile sınırlıdır. Erime sızma doldurma protokolü, özenle, kantitatif doldurma 15 yakın üretmek için kullanılan ve yüceltme protokolünün daha az kısıtlamaları vardır edilebilir. Bu malzemenin, konak SWNTs hasar görmesini önlemek için, bir yüzey gerilimi daha düşük 100-200 mN m-1 ve yaklaşık 1300 K altında bir erime sıcaklığına sahip olmalıdır vardır. 16

Transmisyon elektron mikroskobu (TEM), karbon nanotüplerin doldurma işleminin kalitesini karakterize ve üretilen aşırı nanotellerinin kristal yapısı veya yapıları belirlemek için en iyi yöntemdir. HRTEM görüntüleri SWNT gömülü kristal parçalarının yapılarını çözme deneme kristal fragmanı mod görüntü simülasyonları arasında deneme-yanılma karşılaştırmalar içerirels ve deneysel elde edilen görüntü kontrastı. Bu yazıda onların spektroskopik karakterizasyonu için bir başlangıç ​​olarak HRTEM görüntü simülasyonu ile SWNT örneklerinde aşırı nanotel motifleri mikro teyit için bir protokol açıklar.

Rezonans Raman Spektroskopisi 17 ideal bir araçtır hem rezonans enerjileri nanotellerinin numunelerin türünü ve kalitesini tanımlamak için, tespit edilmiştir kez, aşırı nanotellerinin temel fizik anlamak ve için. Temelde, Rezonans Raman hem optik ve titreşim uyarma enerjileri 17 doğrudan belirlenmesini sağlar. Rezonans foton enerjisi bağımlılığı ek modelleme sayesinde elektron-fonon etkileşimi 17 ölçmek mümkündür. Rezonant enerjileri, özellikle aşırı nanotellerin için tespit edildikten sonra, nanotellerinin Raman tayfı suşu 18 izlemek için kullanılabilir ve yapısal faz nedeniyle 19 değişikliğiSıcaklık, hidrostatik basınç, veya tel bükme. hala kanıtlanmış olması iken, bazı manyetik aşırı nanotellerin içinde uyarımlar onları tanınacak sağlayan Raman saçılması yol açacaktır döndürmek olasıdır. Bir spektroelektrokimyasal hücrede tutulan örnekleri Raman saçılma Uzatma aşırı nanotellerin ve ana nanotüpler 20 arasında yük transferi prob kullanılabilir. Bir karakterizasyon aracı olarak Raman Spektroskopisi nanotel türü ve kalitesi 21 temassız tahribatsız belirlenmesi için bir yöntem de sağlar. Bu üretim ve / veya saflaştırma ve sonrasında numune karakterize etmek için bir araç olarak kullanılabilir nanotellerin gibi transistörler ya da en azından kısmen saydam, gerekli fotonlar altındadır kompozit malzemeler gibi cihazlar dahil edilmiştir bile.

Rezonans Raman saçılması (RRS) için doğrudan bir alternatif sağlayabilir kimse teknik yoktur; ancak bazı Aspe üst üste diğer tekniklerin bir dizi vardıryetenekleri cts bu yöntem. Aşırı nanotellerin UV-VIS-NIR soğurma ölçümleri 22 teklif daha basit bir teknik optik geçiş enerjilerini belirlenmesi açısından. Ancak belirli yapılarla ilgili kümeler halinde farklı optik özellikleri ayıramazsınız farklı yapılar absorpsiyon spektroskopisi bir topluluk ile numunelerde. Rezonans Raman saçılması, optik ve titreşim spektrumları derneğe bu durum elde edebilirsiniz. UV-VIS-NIR absorpsiyon ölçümü vurgular Rezonans Raman enerjilerini hedef olan iki tekniğin bir arada oldukça genel sürecini hızlandırabilir. Fotolüminesans uyarma spektroskopisi (PLE) 23 tek bir örnek farklı optik geçişler ilişkilendirmek yeteneği sunuyor; ancak sadece özellikle metalik olmayan nanoteller, bazıları için çalışır ve RRS daha gerçekleştirmek için sadece biraz daha az karmaşık ve genel olarak Çevreyi korunmaktadır mono-dağınık örnekleri gerektirirnment tamamen başarılı olmak. PLE aksine, Rezonans Raman Spektroskopisi birlikte ve mono-dağınık örnekleri ile eşit derecede iyi çalışır ve bu nedenle küçük örnek hazırlık gerektirir. Henüz çok az kullanılan iken, Transmisyon Elektron Mikroskobu (TEM) incelenmiştir spektral aralıkta tel optik uyarma enerjileri tüm belirlemek ve belirli bir nanotel yapısını belirleyebilir tellerin yapısının analizi ile takip bireysel nanotellerin 24 Rayleigh saçılma spektroskopisi . Ancak, bu teknik RRS ile mümkün titreşim enerji bilgi sağlamaz; bunu gerçekleştirmek için çok zor ve asla genel bir karakterizasyon aracı olarak uygun olacak. Titreşim enerji bilgi bakımından şu anda yalnızca alternatif ancak bu titreşim enerjilerinin farklı bir dizi soruşturma ve böylece tamamlayıcı ziyade rekabetçi olabilmek için, bağlı seçim kurallarına, muhtemelen IR spektroskopisi 25'tir. Ayrıca IR spektrumunupectroscopy UV-VIS-NIR soğurma ölçümleri gibi topluluk örnekleri ile aynı sorunlar yaşayacaktır.

Daha önce tartışıldığı Raman spektroskopisi gibi bilim içinde sorunları geniş bir yelpazede uygulanmıştır. moleküler sistemlerin, malzeme bileşimini analiz etmek için bir parmak izi tekniği olarak da titreşim spektrumları belirlenmesi ve IR spektroskopisi tamamlamak için kullanılır. Bu yaygın, örneğin kristal sistemleri, istismar edilmiş, kitap gövdeler serisinin Işık saçılımı dokuz ciltlik içerir. 3D ve 2D sistemler durumunda, rezonans uyarım standart seçim kuralları arıza ve etkileşimi ölçmek için potensitesi Raman sürecinde özel optik geçişlerin katkısının sağlanması için genel saçılma yoğunluğu ve daha fazla arttırmak için daha az kullanılan belirli elektronik devletleri ile Raman spektrumunda gözlenen uyarılmalarının. Daha yakın zamanda, Raman spektroskopisi olmuştur merkez Tkarbon nanotüpler, özellikle tek duvarlı karbon nanotüpler çalışma o. Karbon nanotüp araştırma 21 1D sistemler için rezonans uyarma 3D ve 3D sistemleri için Raman çoğu uygulamalar için olduğu gibi, isteğe bağlı değil, ama kesinlikle gerekli olduğu gerçeğini vurgulamıştır. olmayan rezonans Raman saçılması dikkat edilmelidir çok zayıf ve uyarma özellikle 1D sistemlerinin bir özelliği vardır devletlerin optik yoğunluk güçlü van Hove Singularities ile rezonans sadece zaman çünkü bu, herhangi bir Raman spektrumunda olduğu gözlenebilir. Bu nedenle, aşırı nanotellerinin durumunda Raman spektroskopisi kullanımı Raman Spektroskopisi bu malzemeleri okuyan uygulanabilir önce numunedeki nanotellerin tüm rezonanslarını bulmak için tam Rezonans Raman ölçümünü gerektirir.

Protocol

1. Numune Hazırlama: Merkür Telluride (HGTE) ve Diğer Malzemelerle SWNTs arasında Erime Dolum

Dikkat: Bu protokolde kullanılan bazı kimyasallar sağlığa zararlı olabilir. Herhangi bir kimya yapılmadan önce ilgili malzeme güvenlik bilgi formlarını danışın. Uygun kişisel koruyucu ekipman (laboratuvar önlüğü, koruyucu gözlük, vb) ve mühendislik kontrolleri yararlanın (örneğin, torpido gözü, davlumbaz vs.) karbon nanotüpler ve cıva Telluride taşıma.

  1. Ön ısıtma ~ kuru havada 400 ° C ila 50 mg SWNTs ya da vakum içinde 500 ° C.
    Not: Kuru hava kullanılırsa, SWNTs hacminin bir miktar kayıp, tipik haliyle% 20-40 olabilir. Bu şekilde, doldurma öncesinde SWNTs bir ön ısıtma molekülleri veya kristaller 12 ile doldurulmuş SWNTs oranını artırmak için rapor edilmiştir.
  2. Bu durumda, cıva te dolgu malzemesinin eşit hacimde önceden ısıtılmış SWNTs 26 bir argon eldiven kutusu öğütmek ~ 20 mg (bölgesindekilluride) homojen bir karışımı elde etmek güç uygulayarak, bir akik havan ve tokmak kullanılarak> 20 dakika karıştırıldı.
  3. hala torpido gözünde, bir 8-10 mm (iç çap), diğer bir ucunda kapalı ve açık 6-10 cm uzunluğunda silis kuvars ampul malzeme karışımı dolgu SWNT kül miktarı / aktarmak ederken.
    NOT: Bir filtre kağıdı huni 1.3 faydalıdır. eritmek ve fırın zarar verebilir cam bu notu olarak sıradan laboratuvar cam ampul kullanmayın.
  4. eldiven kutusunun içinde geçici olarak vakum hattına transferi için plastik film ile ampulün açık ucunu mühür. Bu, bir vakum hattı tespit sonra filmi çıkarın.

2. Tahliye ve Dolum Adım

  1. / SWNT içeren orta vakum (genellikle ~ 0.1 Pa) altında kompozit dolgu ampul Seal.
  2. Programlanabilir bir tüp veya bir fırını kül, dolgu ~ 5 ° C -1 ~ 100 ° C> erime noktası (mp) bir rampa oranında kapalı ampuller ısı48 saat olmak üzere toplam süre 12 saat dönemler için +/- 100 ° C sıcaklıkta termal döngü ile ing.
  3. Açık ve depolama kırma az 5 ° C daha büyük -1 önce bir oranda oda sıcaklığına fırında ampul soğutun.
    Tehlike: Açık ampul Breaking potansiyel kesintileri neden olabilir ya da önemli bir göz darbe tehlikesi arz, implode olabilir. Göz koruması ve koruyucu eldiven, bu işlem sırasında giyilmelidir. Ampuller güvenli bir cam çubukla merkezinde ilk skorlama ile ampulü kırılmış ve sonra sert bir bez sararak bu pozisyonda kırma ve daha sonra aynı anda basınca puanı noktasının her iki tarafında bükme uygulayarak olabilir.

3. Örnek Temizleme

  1. ~ 1 saat boyunca konsantre HCI ve HNO 3 (toplam hacim 50 mi): 1 karışımı hafifçe 1 örnek geri akışa SWNTs için harici bileşiklerin bertaraf edilmesi.
  2. Bir kontrollü gözenekli f kullanılarak de-iyonize su eklenmiş ve filtre ile örnek yıkayın~ 0.22 um kadar bir gözenek boyutuna sahiptir ilter.

Yüksek Çözünürlüklü TEM ile Numune 4. Analizi (HRTEM)

  1. Açık / kapalı palslama 2 saniye ile bir ipucu sonikatör W güç 750 yaklaşık% 20 sonication ile etanol ~ 5 ml numune ~ 5 mg dağıtılır.
  2. 3.05 mm lacey karbon kaplı HRTEM numune ızgaraları üzerine dağılma 1-2 damla yerleştirin.
  3. 80 kV sapmaları düzeltilmiş HRTEM HRTEM 27,29 görüntüleme gerçekleştirmek ve 4,008 x 2,672 piksel yükle-birleştirilmiş cihaz (CCD) ile donatılmıştır.
  4. Aynı büyütmede CCD Precalibrate dağılmış Au nanopartiküllerin (0.235 nm ile ayrılmış) (111) kafes düzlemleri kullanan nanotel / karbon nanotüp kompozitin görüntülenmesinde kullanılmak üzere.
  5. en az 600.000 kez ve en uygun Scherzer odaksızlık görüntüleme koşulları altında bir büyütme ayn dolu SWNT numune görüntüleri elde edebilir.
  6. Enerji dağılımlı X-ışını mikroanaliz ile dolgular yapısının doğrulanması (EDX)

5. HRTEM Görüntü Simulation Extreme Nanotel Gömülü SWNT Mikroyapısı Onaylanması

NOT: Görüntü doğrudan mukayese edilebilir bitmap görüntü (* .bmp) simülasyonları üreten SimulaTEM gibi kullanılabilecek bir standart kesitli görüntü simülasyonu paketi simülasyonları için. çeşitli platformlarda üzerinden yazılım İşlemle ilgili kesin ayrıntılar için, üreticinin protokolünü takip ediniz.

  1. sürüklenme özgür ve ~ 5 nm SWNT boyunca bir mesafe görebilir açıkça çözüme atom sütunlu bir tellerin bir HRTEM resim seçin. nanotel / nanotüp bileşiğin uzun eksen elektron ışını ile ilgili ortogonal olmalıdır.
  2. Kalibre edilmiş bir görüntü (adım 4.4) kullanılarak atom sütunları üzerine doğrudan atom pozisyonlarını çizerek atomik koordinatları oluşturun. 8 yüksek kristal simetrisi s durumundatructure; Tek bir görüntü 11 gereklidir. yapısını tamamlamak için modele projeksiyon 2-3 atom katmanları ekleyin. Düşük simetri modeli için, iki ayrı nanotüpler 10 iki veya daha fazla kristalografik benzer parçalarının iki ya da daha fazla farklı çıkıntıların kristal yapısını çözmek.
  3. Oluşturmak * .xyz nanotüp ilişkiye göre belirlenen uygun bir program (örn TubeGen 3.4) kullanılarak uygun bir çapa sahip olan bir nanotüp koordinatları.
    denklem 1
    D çapı olduğu durumlarda, bir CC bağ mesafesi (0.246 nm) ve n ve tüp yapısını m olduğunu. nanotüp dikkate nanotüp duvarı (0.17 mil) arasında C-atomlu, van der Waals çapındaki alınarak adım 5.2 oluşturulan kristalin dış hacim alacak kadar büyük olmalıdır.
  4. nanotel / nanotüp kompozisyonunun kompozit atomik koordinatları monteite 1D kristali eklenir ve nanotüp ortak merkezi eksen boyunca hizalanmış olarak ve daha sonra nihai modeli * .xyx ya * pdb biçimde koordine tasarruf edilecek şekilde uygun bir yapı, işleme programı (örneğin CrystalMaker) kullanılarak yapıldı.
  5. 5.3 oluşturulan atomik koordinatları kullanarak standart bir çok kesitli simülasyon protokolü (örneğin SimulaTEM) kullanarak nanotel / nanotüp kompozit görüntü simülasyonları üretin.
  6. bileşiğin uzun ekseni elektron ışını ortogonal olacak şekilde bir ön yönde kompozit simüle eder. HRTEM alet ile tutarlıdır; (örneğin 0.001 mm Cs) hızlandırma gerilimine uyumlu simülasyon parametreleri (örneğin 80 kV) ve küresel sapma katsayısı kullanın.
  7. Görme görüntü simülasyon görünümünü karşılaştırın. İyi bir görsel maç elde değilse, uygun bir aralık (e göre aşırı nanotel / nanotüp kompozit uzun ekseni etrafında fragmanı döndürün.g. 10 °) ve daha sonra yeniden benzetmek. kompozit tam 180 ° dönme için bu adımı yineleyin.
  8. deneysel görüntülü fragman ideal bir ortogonal yönelime göre hareket ettirildiğinde o şüpheleniliyorsa, tekrar iyi bir maç elde edilene kadar 5.5 ± 10 ° 'lik bir eğim ile 5.7 arasındaki adımları.

Raman Spektroskopisi için uygun Numune 6. hazırlanması

Tehlike: nanotüp çözümleri sonication tüpleri ya da doldurulmuş tüpler içeren bir aerosol oluşturmak mümkün olabilir ve numuneler daha sonra doğru ele değilse, bu nanotüpler veya doldurulmuş nanotüpler operatör nefes neden olabilir.

  1. Bir şişe içine nanotüp üründen 20 mg koyun 20 mi etanol ilave ve kapağı kapatın.
  2. 20 W banyo sonikatör ve sonikasyon yerleştirin flakon için ~ sıvı kadar 20 dakika karanlık döner. dışarı yerleşmek için şişe içinde aerosol nanotüp izin 5 ~ için saat bırakın.
  3. Yavaşça varsa alt süspansiyon kışkırtmak için şişeyi girdap. Bir pipet kullanarak, oksit kaplı silikon alt-tabaka (5 mm x 10 mm) üzerine süspansiyon kaplama 10-20 ul bırakın ve etanolün buharlaşmasına izin verin.

7. Kriyostat içinde Örnek Montaj

  1. Kriyostat soğuk parmağına metalik iletken boya (yaklaşık 2 mm 2) bir damlacık koyun ve yavaşça boya damlacık üzerine silikon numuneyi ve ~ 2 saat kurumaya bırakın.
  2. XYZ sahneye üreticinin protokolü ve cıvata Kriyostat başına Kriyostat Seal ve yağsız pompası kullanılarak 10 -6 mbar Kriyostat pompa.

8. İlk Kurulum ve Raman Sistemi Optimizasyonu

NOT: protokolün aşağıdaki bölümleri okumadan önce Şekil 10'da sunulan deneysel şemasına bakınız.

  1. Üreticinin protokol başına bir ayarlanabilir lazer kaynağı kullanarak istenen değeri (örneğin 800 nm) Set olay dalga boyu.
  2. Şekil 10'da Ayarlama lazer on-filtrenın (Cı Şekil 10 uyarınca optik setini değiştirmek ve aşağıdaki alt yordamı kullanın.
    1. VBG aracılığıyla lazer iletimini azaltmak için dikey bir eksen etrafında VBG döndürün. VBG ayna monte kullanarak ince ayar yapın.
    2. Bragg içine pozisyon ayna geri VBG üzerine kiriş ve retroreflect ışını yansıtıyordu. VBG boyunca geri yansıyan ışın demeti iletimine bastırmak için ayna ayarlayın.
    3. lazer güç iletimini en üst düzeye çıkarmak için VBG ve Reflektör ayna ayarlamak ince iris 1 aracılığıyla iletilen lazer gücünü ölçün ve.
  3. İki ışın gözlem kameraları (C1 ve C2) üzerine ilgili ışın bölücülerin (BP1 ve BP2) yansımalar yeniden konumlandırarak önceden tanımlanmış yolu lazer ışını dönmek için post-filtre (C) aynalar (M1 ve M2) ayarlayın.
  4. dolaylı spektrometre içine saçılma lazer foton enerjisini ölçün. Dbu hassas spektroskopi kameraları zarar verebileceği o spektrometre doğrudan ışığı dağıtır değil.
  5. ~ 1 mW objektif (ve PM2) üzerine güç olayı ayarlamak için yarım dalga plakası (HWP1) ayarlayın.
  6. Görüntüleme optiği (Şekil 10: mavi kesikli çizgi) kullanarak, örnek görüntü kontrol ve lazer nokta hiçbir stigmation istenen konumda olduğunu emin olun (varsa 8.3 ile optimize).
    NOT: Bir sonraki 10 adım lazer sağlamak için başlangıçta kullanılan verimli spektrometre içine bağlanır. Tamamlandığında, bu adımlar önemli bir değişim optik kurulum yapılana kadar yinelenen gerekmez.
  7. 8.6 göre örnek konumunu ayarlayın, böylece lazer nokta silikon temiz bir alanda odaklanmıştır.
  8. Set spektrometre (Yarık 1) sipariş sıfırıncı ve spektrometre ilk aşamasında giriş yarık resmi görebilmek için spektrometre (Şekil 10 bileşen E) yerleşik gözlem kamera kullanmak için.
  9. , Gözlem kamera kullanarak, Yarık 1 açın ve kontrol refle oörnekten CTED lazer ışık yarıklar giriyor.
  10. kavrama lensi ayarlayarak (L3) merkez lazer nokta giriş yarıkları yatay ve dikey olarak kamera üzerine olduğundan emin olun.
  11. Defalarca Yarık 1 genişliğini azaltmak ve düzgün Slit'e 1 ve kamera merkezli bu lazer sağlamak için 8.10 tekrarlayın. Bu işlem sırasında, lazer ışığı yarığı 1 düzlemine yaklaşık odaklanmıştır yansıyan sağlanması yarığı 1 lazer ışık dağılım en aza indirmek için birleştirme merceğin odaklama ayarlayın.
  12. Yarık 1 açık yansıyan lazer ışığı anlamlı Slit'e 1 tarafından kırpılmış değil ki.
  13. 520 cm -1 silikon Raman zirveden saçılma Raman toplamak için, üreticinin protokolüne uygun olarak, spektrometre yazılımını kurun.
  14. 10 mW güç ayarlayın.
  15. odaklama başlamak için bir saniye pozlama ile tekrarlanan Raman atın.
  16. Iyi tanımlanmış 520 cm kadar numunenin Z-odağı ayarlayın -1 Si pik görülmektedir.
  17. (Giriş yarım dalga plakası ayarlayarak H bu sinyali en üst düzeye çıkarmakÇP2) (bu giden rezonansın kutuplaşma ve spektrometre ızgaralar), giriş objektif ve numunenin Z-odak bağlıdır.

Tek Raman Spectrum 9. Ölçümü

  1. İstenen sıcaklığı (4 K) ve sistem (~ 40 dk) gelmesini sağlayınız.
  2. PM2 ~ 2 mW için üzerine set olay lazer güç.
  3. Adım 8.4 belirlenen buna spektrometre yazılımına dalga boyu ayarlayın.
  4. 0 cm spektrometre yazılımına merkez kayması Set -1 ve lazer çizgisini ölçmek için Raman kısa (500 milisaniye) kazanır.
  5. Kullanım değeri spektrometre yazılımı yeni, daha kesin dalga boyu ayarlamak için 9.4 belirlenen.
  6. Yazılımda Set merkez kayması ve spektral pencere Raman modları tahmin gözlemlemek ve böylece spektral pencere lazer çizgisi kuyruk kapsayacak gelmez.
  7. ilgi alanının örnek konumunu taşımak (paket tüpleri için örnek pozisyon seçimi, daha detaylı bilgi için bölüm 14'e bakın önemlidir).
  8. <li> CCD üreticinin protokol başına kadar 1 sn pozlama odaklanarak ile Raman edinin.
  9. Güç ölçer (PM1) yansıyan gücünü maksimize etmek sahne kontrolörleri kullanarak numunenin Z-odak konumunu ayarlayın.
  10. yeterli sinyal (mutlak> 1000 sayım) almak için uygun pozlama süresini kullanarak bir Raman spektrumu kazanır.

10. Ölçüm Raman Kesit Lazer Gücü Bağımlılığı

  1. çalışma sıcaklığında belirli bir numune için rezonans tahmini zirvesine belirlediği lazer dalga boyu.
  2. düşük güç (~ 0.1 mW) Set ve bu protokolün bölüm 9,3-9,10 uyarınca Raman kazanır.
  3. HWP1 döndürülür olarak örnek üzerinde lazer nokta kayması etmemesini sağlamaktan, (~ 0.1 mW) tarafından gücünü artırmak. HWP1 dönme lazer nokta vardiya sonra sağlamak için 8.3 başına yeniden düzenlemek durumunda bunun tekrar deneyler başlamıyor.
  4. ~ 5 mW kadar güçlerin uygun bir aralığı için 10.3 tekrarlayın. Bu proces tekrarlayınHer çalışma sıcaklıkları için s.
  5. lazer gücü karşı gözlenen Raman özellikleri ile donatılmış yoğunluğunu arsa ve doğrusal bölgeyi belirler. doğrusal bölgenin üst güç sınırının% 80 ile bu sıcaklıkta sonraki tüm Rezonans Raman deneyleri.

Raman Kesit Lazer Enerji Bağımlılığı 11. Ölçümü

  1. Bölüm 10 tespit edilene olay gücü ayarı set istenen dalgaboyu (örneğin 700 nm) ve bölümleri 8,1-8,6 ile sistem uyumunu hizalayın.
  2. Numunenin Z-odaklama ile yansıyan gücünü maksimize ve sürekli ana Raman özelliklerinin yoğunluğunu kontrol etmek için 1 sn pozlama kazanır.
  3. dedektör doyurarak olmadan CCD sinyali en üst düzeye çıkarmak için maruz kalma süresi ve birikimlerini ayarlayın.
  4. spektrumları belirterek kaydetmek ızgara kullanılan dosya, pozlama süresi, birikimleri, merkezi Raman kayması, uyarma enerjisi ve olay gücü içinde.
  5. Set sonraki excolay lazer gücünü sağlayan adımlar 8.1-8.6 yineleyerek tasyon dalga boyu sabittir ve daha sonra adım 11.2 uyarınca yansıyan gücünü maksimize. İlk sonuçlar için yaklaşık 10 nm ayrı uyarım lazer dalga boylarını kullanın. Yaklaşık 2 nm sunum kalitesi sonuçları lazer dalga boyu ayırımlar için tercih edilir.
  6. Her altı yeni uyarma dalga boyları bir önceki dalgaboyu (örn 700 nm) ve döndükten sonra 11.1-11.5 tekrarlayın. Deney, zamanın bir fonksiyonu olarak tekrar spektrumları bir anahtar Raman özelliği donatılmış yoğunluk haritası ve uzun vadeli bir sürüklenme olduğundan emin olun.

Raman Spectra Polarizasyon Bağımlılığı 12. Ölçümü

  1. Şekil 10 (mor noktalı çizgi) 'de gösterildiği gibi, objektif ve spektrometre arasında yoluna polarizasyon analizörü (Pol2) koyun. Ayrıca objektif önce optik yola yarım dalga plakası ve polarize (HWP3 ve Pol3) yerleştirin;Bu olay, polarizasyon döndürmek için kullanılır. Olay radyasyon optik eksene dik olan ve optik merkezinden üzerinden geçecek böylece tüm polarizörler ve HWPs doğru hizada olduklarından emin olun.
  2. dikey polarize ışığı geçmek Pol3 ayarlayın. Örneğin çıplak silikon bir parça güçlü bir Raman sinyalini kullanarak, dikey polarize ışık geçmesine ve Raman sinyalinin şiddetini arttırmak için HWP2 ayarlamak için (Pol2) ayarlayın. HWP2 dönüşünü ve spektrometreye giden ışık polarizasyon yönüne dikkat edin. Bu deneyde geri kalanı, deney ışık insidansı polarizasyon analizörleri yönünü geçmesi kutuplaşma herhangi bir değişiklik telafi etmek için HWP2 ayarlayarak değişmez emin olun.
  3. polarizasyon analizörü hizalanmasını kontrol edin; Emin sinyal hala aynı olduğundan emin olmak için polarize 180 ° döndürün.
  4. Hwp ile adım 12.3 gerçekleştirin (tam devrim yaklaşık 90 ° 'lik adımlarla çevirerek). her aşamada sinyal varsa değişikliği unutmayın.
  5. Z-odaklama ile yansıyan gücünü maksimize ve uygun giriş gücü ve maruz kalma süresi / birikimleri kullanarak Raman kazanır.
  6. Uygun bir perde (10 °) ile toplama polarize ayarlayın ve 12.2 tartışılan spektrometre sabiti ışık insidansı kutuplaşmasını korumak için bir şekilde hwp ayarlayın.
  7. polarize dizi kadar adımı yineleyin 12.7 ölçülmüştür.
  8. yatay hedefi üzerine ışık olayın kutuplaşmayı değiştirin.
  9. Bu örnek üzerinde hareket etmek için lazer nokta neden olmadığını kontrol edin. adımlarda 12.7 ve 12.8 ölçümü tekrarlayın. Başka bir olayın polarizasyonlar da kullanılabilir, ancak en az iki dik polarizasyon gereklidir. Pol3 ve ışık polarizasyonu üzerine hedefi arasındaki optik olmayan yatay veya dikey olarak polarize ışık etkisi kullanıyorsanız considerat alınması gerekmektediriyon.
  10. Raman özellikleri kapsüllü nanotellerin (Temsilcisi Sonuçlar bakınız) ile ilişkili belirlemek için 1D nesnelerin topluluklar için beklenen buna karşı polarizasyon bağımlılığını kontrol edin.

Raman Spectrum Sıcaklık Bağımlılığı 13. ölçümü

  1. Üreticinin protokolüne uygun olarak kriyostat denetleyicisinde yeni bir örnek sıcaklığı ayarlayın.
  2. Kriyostat sıcaklığı ve numunenin hareketini gözlemleyerek kriyostat termal dengede olduğundan emin olun ve hiçbir örnek hareketi devam etmeden önce vardır.
  3. ve lazer aydınlatma olmadan kriyostat numune gözlemleyerek örnek pozisyonuna herhangi bir termal sürüklenme için düzeltin.
  4. lazer güç bölümünün 10 den adımları izleyerek lineer rejim olduğundan emin olun.
  5. Sıcaklık ile kaydırmak için numunenin optik rezonansları için ortak bölüm 10'da olduğu gibi Raman Kesit lazer enerji bağımlılığını ölçmek o rağmensıcaklık ile nispeten az rezonans değişim enerjisini FTEN.

Örnek Pozisyonun 14. Choice

  1. Bir örnek monte edildikten sonra, örneğin, bir köşede numune üzerinde belirgin bir konuma bulmak ve Şekil 10'da mavi kesik çizgi ile gösterildiği gibi bileşenleri ekleyerek, kriyostat çevirileri aşamalarının konumuna dikkat.
  2. Kenarlarından biri boyunca örneğin başka bir bariz pozisyon, hareket ve konumunu not edin.
    NOT: dolu karbon nanotüplerin toplulukları incelenirken Numune konumu önemlidir. Numune, homojen olmayan olması olasıdır. örnek bir iyi pozisyon aşağıdaki özelliklere sahiptir.
  3. onun konumuna güvenilir dönmesine izin mikron ölçeğinde detaylı mikroskop aracılığıyla bakıldığında görsel açıktır Konumu bulun.
  4. örnekten Raman sinyalini ölçün ve birkaç mikron s alanın homojenliği kontrol etmek için hafifçe XY konumunu ayarlamakcale. Sinyal değişiyorsa önemli ölçüde farklı bir nokta seçin.
  5. nokta bir görüntü yakalamak ve örnek iade edebilmek için örnek köşesinden göreli koordinatları not edin.

15. Mesaj Veri İşleme

  1. veri işleme yazılımı içine spektrumları alın.
  2. mW başına saniyede sayılarını elde etmek lazer gücü ve maruz kalma süresine göre her spektrum normalleştirmek.
  3. spektrometre verimliliği için doğru.
    NOT: Daha sonra aşağıdaki yordamı izleyin Bazı spektrometre yazılım, otomatik olarak yapar ama. Adım 15.3.1-15.3.2 herhangi bir spektrometre kez yapılır ve daha sonra gerektiğinde kullanılabilir.
    1. numunenin pozisyonunda bir kalibre beyaz ışık kaynağı yerleştirin ve spektrometre tüm standart ayarlarla ile spektrumu ölçmek.
    2. spektrometre verim elde etmek beyaz ışık kaynağı için kalibrasyon eğrisi ile beyaz ışık tayfı bölün. verimi MağazaDaha sonra kullanmak için dosyaları.
    3. aynı koşullar altında spektrum hacmi ile ölçülen Raman spektrumu bölün.
  4. uygun veri işleme yazılımı kullanarak Raman çizilir.
  5. Yelpazenin sırasında enerjileri arasındaki lazer atlama delil spektrumları edin. Bu daha geniş zirveleri ya da bir yelpazede zirveleri ikiye katlanması kadar üretecek.
  6. Bilinen bir Raman özelliği, örneğin silikon LO (Boyuna Optik) fonon kontrol veya aynı miktarda ilgili spektrumları özelliklerini Raman tüm kayması ani değişiklikler kontrol ederek Raman vardiya kalibrasyonu kontrol edin.
  7. Raman Tüm özellikler için genlik, merkez kayması ve genişliğini elde etmek için standart hat şekilleri ve doğrusal olmayan eğri uydurma programı kullanarak özellikleri sığdır.
  8. gerektiği gibi lazer enerjisi veya sıcaklığa karşı uygun parametreleri çizilir.

Representative Results

HGTE bir örnek üzerinde bir dizi HRTEM görüntü ve simülasyonlar için Örnek sonuçlar SWCNTs Şekil 1 'de gösterildi @ görüntüleri Şekil 1A boyunca -. F, düşük boyutlu, sınırlı HGTE aşırı nanotelleri tasvir mikroyapıları karşılık gelir yaklaşık 1 nm çapında olan ref 14 tartışılan forma. Demetleri ve ayrık tüpler Örnek görüntüleri Şekil 1D'de sunulmaktadır. Protokole göre, bir deneme modeli oluşturulur ve Şekil 1A, B, C. Bu görüntü simülasyonları çapraz korelasyon gerçek deneysel sonuçlar olabilir (Şekil 1D belirtilmiştir çeşitli eğim açıları ve ışın yönelimleri, bu temsili sonuçlarına boyunca simüle, F) ve görülebilir simülasyonları ile iyi bir maç olması için.

Bu yazıda anlatılan deneylerin temel amacı olanŞekil 2 de olduğu gibi, aşırı nanotellerin Raman spektrumları ölçün. Şekil 2'de sunulmuştur spektrumu Şekil 1 'de, mevcut nanotellerin aynı büyüme seriden alınan HGTE aşırı nanotellerinin örneği kullanılarak ölçüldü. Örnek Raman kullanılarak elde edilmiştir yöntem bölümleri 6 ve protokol 7 yola çıktı. Şekil 2 de gösterilen spektrumu çoğu bu titreşim uyarımları diğer tonları ve bunların kombinasyonlarını kapsayan, aşırı nanotel titreşim uyarımları ve çoklu fonon Raman atfedilebilir piklerin büyük bir sayısını göstermektedir. Temel titreşim modları, bir (45 cm-1), B (52 cm-1), C (94 cm-1) ve D (115 cm-1) ve bunların kombinasyonları ve imalar bazı görünür spektrumu üzerindeki etiketlenir en az 6. sıraya kadar. HGTE Raman ayrıntılı ilişkilendirme ve yorumlama referans 14'de açıklanmaktadır. oGüçlü birden fonon Raman zorunlu tüm aşırı nanotel numune özelliği, HGTE II-IV malzeme, yaygın bir özelliktir, ve dikkat edilmelidir. tellerin yanı sıra Raman da bir karbon nanotüp Raman özelliğini içeriyor özellikleri; 168 cm -1 olan rezonans enerji 1.67 eV 14 gözlenen bir Radyal Nefes Modu ağırlıklı nedeniyle dolum Raman özellikleri (Şekil 4) rezonans enerjileri açıkça farklıdır. Ev sahibi boru Raman özellikleri açık bir şekilde doldurmak için kullanılan saf nanotüplerin Raman tespit edilebilir. uyarım enerji geniş bir aralığı, doldurulmamış tüpler bir rezonans Raman araştırması Bu veriler tespit 5 RBMs bir başlangıç ​​atıf ile birlikte yardımcı madde gösterilmiştir.

Şekil 2'de sunulan veriler güçlü uyarma lazer enerji bağımlılığını gösteriyor ki i1D sisteminde yaygındır. Bu enerji bağımlılığı herhangi Raman temizlendikten sonra numunede kalır aşırı nanotellerin ziyade ana malzeme diğer formları, ya da termal bozunma ürünleri nedeniyle gözlenen özellikleri önemli göstergelerinden biridir. Bir başka önemli gösterge gözlenen özellikler 137 cm -1 bir Boyuna Optik (LO) fonon modu hakim olan toplu HGTE 30 oldukça farklı olmasıdır. Orada 3 nm aşağı çaplarda HGTE ve nanoparçacıkların Raman spektrumları toplu LO fonon kaynaklı titreşim modları hakim olduğu literatürde önemli delildir ve aynı 2 nm aşağı boyutlarda HGTE kuantum kuyuları için de geçerlidir. Belirli bir Raman özellikleri ana malzeme nanotellerin yerine nanopartiküller ya da topaklar ile ilişkili bu son önemli bir göstergedir, Şekil 3'te gösterilen gibi tipik bir polarizasyon bağımlılığıdır. Referans 14 T daha ayrıntılı olarak ele alındığı gibi,O rasgele yönlendirilmiş 1D sistemlerinin bir topluluk saçılma Raman tercihen 3 bir kontrast oranına sahip verici lazer ışığı ile aynı yönde polarize edilir: 1 ve böylece Şekil 3'te gösterildiği gibi en iyi sonuçlar mevcut sekiz şekli karakteristik Şekil gösterir. o tercih edilen bir salım yönü nedeniyle, diğer mekanizmalara polarize Raman olarak, Şekil 3'te gösterildiği gibi, ikaz polarizasyonda döner nadir değildir test edilmesi önemlidir. Bir kontrast oranı 3'ten düşük gözlemlemek için oldukça mümkündür: aynı zamanda, Şekil 3'de gösterilen nanotellerinin kalın tabakalar, 1, ve bu tabaka içindeki ışık saçılması atfedilebilir.

Artık dolum nedeniyle doldurulmayan tüpler içinde mevcut olup olmadığı doldurulmuş tüp numunelerinde Raman tepe başka olası açıklama doldurma veya artık madde SWCNT Raman spektrumunun modifikasyonlara yol açmasıdır. insmetal oldu SWCNTs arasında mesafe, numune "Kabak" titreşim modları gösteren bunların üzerine buharlaştırıldı. 31,32 Ancak zıt polarizasyon bağımlılığı dikkate HGTE doldurulmuş numune durumunda (Şekil 3) Kabak modları için gözlenene. 31 ek olarak temel modları yüksek harmonik Squash modu spektrumları için HGTE spektrumları gözlenen değildir ve gerçeği bize HGTE Raman özellikleri için bir Squash modu açıklama ekarte etmek için izin verir.

Bu yazıda yer alan protokolünü kullanarak tam bir Rezonans Raman deney alınan B Raman özelliği yoğunluğunun uyarma foton enerji bağımlılığı Şekil 4'te sunulmuştur. Protokolü tam gelişmiş önce de sunulan gerçekleştirilen bir deney aynı sonuç . protokolü ile Resona üzerinde tek bir noktadan tekrarlanan, bağımsız ölçümlerde bir varyasyon elde etmenin mümkün olduğunuyaklaşık% 8 ım profili, Şekil 5'te gösterildiği gibi. kaliteli spektrumları elde etmek için kontrol edilmesi gereken sistemin uyum ana parçaları mikroskop objektif lazer ışınının sıraya dizilişini ve daha sonra üzerine demetin odaklama örnek. Kiriş hizalama önemi Şekil 6a, e 'de gösterilmiştir. Doğru kasıtlı olarak yanlış hizalanmış ışın ile iki ışın direksiyon kameralar (c ve e) ve sub-optimal spektrumları (Şekil 6a, yeşil iz) üzerine hizalanmış ışını ile bu Raman gösterilmiştir şekil (Şekil 6a, mavi iz) in. Çerçeve burada B'nin her bir dikey ve yatay orta noktadan geçen bir doğru, Şekil 6 e 6b ve 6d karşılaştırıldığında gösterildiği gibi küçük bir yatay kayma lazer hizada olduğunu gösterir. 6 yeşil ve mavi izleri karşılaştıraraka, küçük bir hiza CCD isabet Raman sinyalinin önemli varyasyon (>% 50 kaybı) neden olabilir açıktır.

Doğru numune odaklanmıştır hedefi sağlamak için yansıyan ışın yoğunluğunu kullanmanın önemini ve alaka, Şekil 7'de gösterilmiştir. Bu rakam Raman yoğunluğu sunar ve objektif ve numune arasındaki mesafenin bir fonksiyonu olarak ışık sinyali yansıyan . zirve Raman, Z-pozisyonunda (objektif ve numune arasındaki mesafe) hassas% 10 içinde olması güç ve Raman pik pozisyonları arasındaki mesafe olarak oldukça büyüktür daha iyi 20 um, olması gerekir Şekil 7'de sunulmuştur.

Protokolde tartışıldığı gibi Raman lazer ikaz yoğunluğunun etkisi dikkate ve alınması önemlidirDeney rezonans profilleri ölçerken Raman saçılması uyarma yoğunluğu ile orantılı olduğu rejim olması. Protokol bölüm 9 uyarınca ölçülen HGTE aşırı nanotellerin, Raman saçılma yoğunluğu uyarım yoğunluğu bağımlılığı Örnek ölçümleri, Şekil 8'de gösterilmiştir. Şekil 8'de görüldüğü gibi Raman yoğunluğu başlangıçta yoğunluğu kadar uyarım yoğunluğu ile doğrusal olarak artar 1.5 x 10 4 doyurmak için sinyal için bir eğilimi ile doğrusal olmayan davranışı göstermek başlamadan önce. Farklı numuneler tam uyarım yoğunluğu davranışı farklı olacaktır ve bu ölçülen ve dikkate alınmalıdır. Şekil 8'den Raman yoğunluğu açıkça 0.2 mW / mm2 ~ daha fazla uyarma yoğunlukları için doğrusal olmayan rejim içinde. Ayrıca yeterince yeterince düşük uyarma gösteren düşük uyarma şiddetlerinde verilere doğrusal bir uyum göstermiştir intensities Raman yoğunluğu uyarım yoğunluğu ile orantılıdır (kadar ~ 0.1 mW / mm2). Veriler, belirli bir sıcaklıkta (4 K) bu belirli bir numune konumu için eşsizdir ve farklı örnek / sıcaklık incelenmiştir zaman deney protokolü adımları göre tekrarlanmalıdır yinelemek önemlidir. Pratik bir kural olarak, doğrusal bir rejimde yüksek güç yaklaşık% 80 kullanmak için idealdir.

Yüksek kaliteli Rezonans enerji bağımlılığı profilleri ölçülmüştür kez bunlar daha sonra bir dizi bilgi elde etmek için analiz edilebilir. Raman süreçleri altında yatan teori iyi anlaşılmış ve zamana bağlı pertürbasyon teorisi 17, genellikle Feynman diyagramı yaklaşımı 21,33 kullanılarak hesaplanır, rezonans profilleri ve hatta mutlak yoğunluklarını tahmin etmek için kullanılabilir. Optik geçişler ayrık ve iyi enerji ayrılmış olan sınırı içinde teori Rama tahminn tek fonon saçılması için yoğunluk biri tarafından çarpılan optik geçiş merkezli bir Lorentz olarak doğrusal izler Stokes saçılımı veya Anti-Stokes Raman saçılması için aşağıdaki bir fonon enerjisi için yukarıdaki bir fonon enerjisi ortaladı. fonon enerji rezonans çizgi genişliği küçük göre ise HGTE nanotellerin olduğu gibi, bu olarak doğrusal kare Lorentz sahip Rezonans yol açacaktır. Ancak 1D sistemlerde optik spektrumda özellikleri devletlerin bir süreklilik oluşan van Hove Singularities ile ilişkili olacağı muhtemeldir. Buna ek olarak daha fazla geçiş genişletilmesi örnek içinde homojen olmayan olma ihtimali vardır. Bunlardan birini ya da her ikisi de doğruysa o zaman optik geçişler için durum yoğunluğu değiştirecektir ve olarak doğrusal hakim olabilir. Raman saçılması farklı saçılma dizileri ve farklı geçiş durumuna kapsayan tutarlı bir süreç ve bu yüzden girişim etkileri olduğu için bu durum daha karmaşık yapılırs rezonans profilini 34 değiştirecektir. Aynı sebepten dolayı ara devletler arasında tutarlı ömür boyu herhangi bir varyasyonu da olarak doğrusal 35 etkileyebilir. Kusurları ve özellikle yüksek mertebeden Raman saçılması çift rezonans etkilerinden, elastik saçılma tutulumu olasılığı, durumu daha da zorlaştırıyor 21,35. Önsel beklenen Raman rezonans profilini tahmin Genellikle mümkün değildir. Ancak rezonans Raman saçılması, optik spektrumda özelliklerin enerji, devletin bu özellikler doğa ve elektron-fonon etkileşimleri 17 kantitatif gücü sorumlu niteliği dahil olmak üzere farklı malzemeler sistemleri hakkında bilgi büyük bir ayıklamak için kullanılır olmuştur. Daha iyi Rezonans içinde optik özelliklerinin enerji ve enerjik genişliğini ölçmek profil için bunları standart optik lineshapes birini kullanarak uyacak şekilde genellikle yararlıdır. İçindeLorentz çalıştığımız HGTE nanotellerinin durumda, Lorentz kare ve Gauss lineshapes ve (Şekil 4) en uygun olarak Gauss lineshapes bulundu. Açık olmak gerekirse, bu rezonansı neden olan optik özelliği genişletilmesi niteliği açısından yorumlanamaz fenomenolojik uyum ve Gauss olarak doğrusal kullanımıdır. Bu krizleri biz 1.76 eV olmak rezonans sorumlu optik özelliği enerjisini belirleyebilir. HGTE aşırı nanotellerinin rezonans davranışının daha detaylı analiz ayrı ayrı yayınlanacaktır.

Raman sıcaklık bağımlılığı ölçülmesi ilave fiziksel problanabilir sağlar. Özellikle fononların ömrü üzerinde dilatasyon ve temel sınırlarını örgü lider titreşim piklerin genişliği harmonik olmayan etkileri için izin veren titreşim enerjilerinin ve vardiya araştırılması için. Resonan ÖlçüleriSıcaklığın bir fonksiyonu olarak CE profilleri, optik enerjilerin sıcaklık bağımlılığı belirlenir sağlayacaktır. Mümkün olan sıcaklığa bağlı etkilerini gösteren bazı temsilci sonuçlar, Şekil 9'da sunulmuştur. Şekil 9 'dan görülebileceği (A ve B), sıcaklık arttıkça spektrum genişliği genişletmekte ve modu merkezi kaydırma teorik ile hat olan yumuşamasıdır tahminler. En çarpıcı sıcaklığının bir fonksiyonu olarak, B modunda yoğunluğu önemli bir düşüş-off gösteren pencere c. Ayrı bir yayında daha ayrıntılı olarak tartışılacaktır Bu etki, artan sıcaklık ile birlikte rezonans sorumlu optik durumlarının koherent ömrü azalmasına ağırlıklı nedeni ve Raman saçılımı görülemeyecek kadar bilgi sağlayabilir açık bir kanıtı absorpsiyon ölçümleri.

Şekil 5'te gösterildiği gibi daha iyi% 8 Raman tepe yoğunluğunun tekrarlanabilirlik elde etmek mümkündür.

Şekil 1
Şekil 1:. Simülasyon sonuçları karşılaştırıldığında ile aşırı nanotellerinin HRTEM Yapısı modelleri, HRTEM simülasyon protokolü ve ~ 1.4 nm çapında SWNTs gömülü ~ 1 nm kalınlığında HGTE nanotellerinin deneysel görüntüler. Bir tipik bir kısmen kesilmiş modeli (a) A (10,10) SWNT gömülü HGTE 3 nm uzun parçası. Elektron ışın tarifi (b) HGTE @ (10,10) SWNT kompozit (c LH simülasyonları) ve eğim (d, RH simülasyon) yönelimleri bir dizi farklı projeksiyonlar temsil etmektedir. HRTEM görüntüleri (e, sağ üst) (d üst sol ve sağ) tablo (c) eşleştirilir ve deneysel görüntü ile uyumlu olabilir. Kullanılan ince SWNT demeti (e) 'den elde HRTEM görüntü, ~ 1 nm HGTE nanoteller (I, II ve III) gömülü ve Tabloda simülasyonları ile (yani-parçalar Ben, II' ve III ') korelasyon gözlemlemek için. Bazı parçaları eğik (f, sol) f sağ olarak cutaway modeline karşılık gelen simülasyon (f, orta) ile modellenmiş açı t tarafından.f = "https://www.jove.com/files/ftp_upload/53434/53434fig1large.jpg" target = "_ blank"> bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.

şekil 2
Şekil 2: Aşırı Merkür Telluride Raman spektrumları nanotüplerin içinde gömülü HGTE aşırı nanotellerinin Temsilcisi Raman birden uyarma foton enerjileri ile 4 K edinilen SWCNTs içinde.. Çeşitli izleri 1.78, 1.77, 1.75 ve sırasıyla mavi, yeşil, kırmızı ve mor çizgiler için 1.71 eV enerjileri uyarım karşılık gelmektedir. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 3,
Şekil 3: Analiz ang bir fonksiyonu olarak B zirvesinin Gömme şiddeti le. Polar 1.77 eV B tepe takılan yoğunluğu arsa ve dikey (mavi) olarak analiz açısının bir fonksiyonu olarak 4 K ve yatay (yeşil) olay polarizasyon. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 4,
Şekil 4: rezonans etkisi SWCNTs @ HGTE B modunda gözlenen B Rezonans profil (52 cm-1) modunda hem (a) detaylı bir protokol yapıştırıldığı durumda ve muhafaza (B lazer dalga boyunun bir fonksiyonu olarak göstermektedir. protokol geliştirildi önce) kaldırıldı. Gauss çizgi genişlikleri sırasıyla a ve b için 1.77 ± 1 MeV ve 1.74 ± 3 MeV çevresinde toplanmaktadır. hatalar rutinine uygun,% 95 güven sınırları ile belirlenmiştir.dosyaları / ftp_upload / 53434 / 53434fig4large.jpg "target =" _ blank "> bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 5,
Şekil 5: RRS deney boyunca 702 nm dalga boyu Raman spektrumları bağımsız tekrarlar deney boyunca aynı koşullar altında alınan Raman spektrumları bir dizi.. Spektrumları bir rezonans Raman deney sırasında 4 K bir 702 nm lazer hattı ile ölçülen A ve B modu gösterir. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 6,
Şekil 6:. Sistem optimize ve kasten de ayarlanmış olduğunda alınan SWCNTs @ HGTE Raman spektrumları Raman elde edilen birt oda sistemi iyi hizalanmış sıcaklığı (mavi iz) ve kasten yanlış hizalanmış (yeşil iz). Çerçeveler (B, D) kamera (C1) lazer nokta gösterir kamera (C2) üzerine lazer resmi ve (c, e) göstermektedir. Kasten yanlış hizalanmış spektrumları d ve e arasındaki gösterilir iken iyi hizalanmış spektrumları, b ve c görüntülere karşılık gelmektedir. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 7,
Şekil 7:. Yansıyan güç ve örnek odak pozisyonunun bir fonksiyonu olarak Si tepe gelen Raman tepe yoğunluğu normalize çizimi güç metre (PM2) ve Raman int normalize yoğunluğuna ölçülen güç (kırmızı) yansıyanNumune ve objektif arasındaki mesafenin bir fonksiyonu olarak ensity (mavi). Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 8,
Şekil 8: eksitasyon yoğunluğunun bir fonksiyonu olarak bağlantı Lorentz ile nicelleştirilmiştir 4 K ve 702 nm 'de B Raman modunda yoğunluğunun Konu fit belirleme uygulanır olay gücünün bir fonksiyonu olarak B modunun donatılmış şiddeti. doğrusal rejim. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 9,
Şekil 9: Sabit at SWCNTs @ HGTE B modunda sıcaklık bağımlılığı(1.77 eV) uyarım enerjisi. Sıcaklığın bir fonksiyonu olarak sabit bir uyarım enerjisine (1.77 eV) 'da Raman. , Windows ac sırasıyla B modları spektral genişliği, merkez kayması ve monte yoğunluğunu gösterir. Gösterilen Hata çubukları uydurma rutin% 95 güven sınırları vardır. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 10,
Şekil 10:.. Rezonans Raman Spektroskopisi deneyleri için kullanılan optik kurulum şematik görüntüler protokolde tartışılan tüm deneyler için kullanılan optik kurulum Şekil bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Discussion

Araştırmanın büyük miktarda nanotellerin yapılmadığı iken küçük çaplı temel sınır mümkün aşırı nanoteller nanotellerden, pek incelenmiştir. Örneğin onların ana malzemelerin tamamen yeni kristal formları sergileyebilir; Zaten bu nanotellerin özellikleri bile biraz daha büyük çaplı nanotellerin ile bir süreklilik teşkil olmadığı gösterilmiştir. Her ebeveyn olası ana malzemelerin ve bu çok sayıda göz önüne alındığında fizik büyük çok fazla aşırı nanotel olası nanotellerinin aralığını üretebilir.

Onları üretme yöntemleri iyi kurulmuş değildir çünkü aşırı nanotel araştırma erken aşamalarında hala olması değil. Bu makalede yer alan eriyik infiltrasyon prosesi güvenilir ve eriyik süzmeyi herhangi bir doldurma uygun değilse, mevcut olan birçok grupta ve süblimasyon doldurma gibi başka yaklaşımlar ile kullanılmıştır. kısmenAlan olmayan yıkıcı uç nanotelleri karakterize edilmesi için nispeten basit ve geniş bir uygulama yöntemi olmaması geri tutulur. karbon nanotüpler alanında herhangi bir rehber ise, Raman spektroskopisi bu sorunu çözmek için tercih edilen yöntem olma şansı vardır. Aşırı nanotellerin yararlı Raman elde anahtarı Raman saçılması diğer tüm 1D sistemleri rezonans geliştirme ile ortak olduğunu kabul etmek herhangi bir saçılma gözlemlemek için gerekli bir koşuldur. Belirli bir örnek Çeşidi tam rezonans davranışı ölçümleri hızlandırır örnek karakterize etmek Raman çoğu uygulamalar için sabit bir rezonans uyarma enerji kullanımı ve maliyetini azaltmak mümkündür, bu protokolde belirtilen yöntemler kullanılarak tespit edildikten sonra Raman sisteminin gerekli.

Bu makalede sunulan sonuçlarında görüldüğü gibi aşırı nanotellerin yüksek kaliteli Rezonans Raman sonuçların elde kritik bir sorundurSürekli olarak yüksek hassasiyet ile birkaç gün içinde ayarlanabilir bir lazer ışın yeniden düzenlemek için mümkün olması gerekmektedir. Bu deney en önemli ayrıntılara deneysel sistem ve dikkat özellikle değişiklikler gerektirir; doğru optik sistemin odaklama, mikroskop objektif ve numunenin bir yanal hareket için tam olarak doğru yeteneği üzerine lazer ışınının hassas bir hizalama. teknikler bu formu bu yazının temelini elde etmek için geliştirilmiştir. Diğerleri toplu ve kuantum kuyu sistemleri geniş bir yelpazede yöntemi uygulanarak, örneğin M. Cardona olarak öncülerinden olmak üzere rezonans Raman deneylerin tekrarlanabilirliği geliştirmek için teknikler ve sistemler geliştirdiler. Bizim tekniği de M. Dresselhaus 21 olmak üzere karbon nanotüpler Raman öncülerinden çalışmalarına dayanıyor. Ancak, burada sunulan protokol aşırı nanotellerin ilgili rezonans Raman deneyler için özellikle uygundur.

s önemli bir parçasıprotokol uccess Şekil 10'da gösterilen deneysel sistemin geliştirilmesi olmuştur. Şekil protokolü detaylı Raman deneyler için kullanılan optik kurulum bir plan görünüşünü gösterir. Lazer ışığı protokole göre kriyostat mühürlü numune üzerine bir 50X objektif (etiketli OB), içinden odaklanmıştır. Bu kriyostat yeniden konumlandırılması ve odaklama amacıyla örnek 3 boyutlu bir hareketine izin vermek üzere, bir XYZ sahne üzerine monte edilir. Lazer ışığı A ve B (bir pompa kaynak ve Ti olmak: sırasıyla safir) üzerinden oluşturulur, lazer kesin ayrıntıları verilen malzemeler belgesinde belirtildiği ediliyor. Ticari lazer hattı filtresi kullanıldığında (bileşen C) lazer ışık iris 1 ve 2 paralelleştirilmiş kullanılarak lens 1 ve 2 (L1 ve L2) merkezine yönlendirilir. Işık protokol ayrıntılı olarak, bir yarım dalga plakası ve polarize (HWP1 ve Pol1) PM2 üzerine kutuplaşma ve lazer güç olayın uçağı kontrol etmek geçer. Lazer ışığı geçirilirayarlanabilir filtre, C, ve aynalar M1 ve M2 kullanılması yoluyla, bu objektif (OB) arka yüzüne normal ve kameralar C1 ve C2 merkezli olacak şekilde doğru optik yola yönlendiriliyor. ND filtresi odaklama işlemi (adım 9.9) yapılmasına izin vermek için, güç ölçer, PM1 üzerine hedeften geri yansıyan ışın konumlandırmak için kullanılır. numuneden geri saçılan ışık toplandı ve spektrometreye lens 3 (L3) ve yarık 1 geçirilir. Lensin yarık genişliğini ve pozisyonunu ayarlama lazer dalga boyu lazer çizgisinin dışında ise protokol bölüm 8'de ayrıntılı olarak, Raman sinyalini maksimize etmek önemlidir filtreler operasyonel aralığı, Cilt Bragg ayarları bölümünde 8.2 uyarınca istihdam edilmesi gerekir .1-8.2.3. Optik kurulum Şekil 10 uyarınca siyah kesik çizgi ile uygun olarak değiştirilir ve ayna M3 yolundan kaldırılır önemlidir. polarizasyon bağımlı deneyler üstlenen Son olarak, bu önemlidirpolarizasyonu kontrol spektrometre giren polarizasyon muhafaza, bu şekilde 10 mor kesikli çizgi ile vurgulanır kurulum eklenecek protokol ve bileşenlerin bölüm 12'de açıklanmıştır. Mavi Şekil 10'da kesikli çizgi bileşenler belirtilmedikçe protokol bölüm 14 ile gösterildiği gibi örnek canlı görüntülenmesine olanak vermek üzere ilave edildi.

tüm deneysel yöntemlerle olduğu gibi Rezonans Raman saçılması sınırlamaları vardır. Özellikle, mevcut ayarlanabilir lazer kaynağı ve dedektörler kızılötesi içine uzantısı olmasına rağmen daha spektral aralık 350-1,000 nm gerçekleştirmek için çok daha kolaydır ve UV mümkün olduğu anlamına gelmektedir. ayarlanabilir kaynaklarla Raman saçılması üstlenmek için gerekli deneysel sistem makul bir tahmini yayınlandığı tarihte £ 200-300k olmak ucuz değil. Buna ek olarak gerekli sistemlerinin karmaşıklığı da optik konusunda biraz bilgi gerektirir demektirspektroskopisi başarılı çalışması için. Ancak Raman saçılımı için diğer tekniklerden elde etmek zordur bilgi oluşan bir kombinasyon sağlar. Dikkate değer henüz başka bir teknik ile elde edilemez tek tek tek duvarlı karbon nanotüpler, Raman saçılımı ve böylece titreşim enerjileri elde etmek mümkündür.

Şimdi nanotellerinin rezonanslar bu Raman saçılması muhtemel uzantıları bir dizi açılıyor belirlenecek başlattıklarını bildirdi. Bizim görüşümüze göre uzatma elektrokimyasal bu malzemelerin anlamanın anahtarı olacak şarj yoğunlukları geniş bir yelpazede üzerinde nanotellerin ölçümler sağlayan, 4 K 36 aşağı sıcaklıklarda aşırı nanotellerin 20 kapı için. Sonunda daha da üretilebilir numunelerin kalitesini optimize etmek için yardımcı olabilir aşırı nanotellerinin yapısal ve erime geçişleri anlamak için Raman saçılması kullanarak.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Carbon Nanotubes Nanointegris NI96
Carbon Nanotubes Private Synthesis described in Eurasian Chem.-Technol. J., 5, 7-18 (2005).
Mercury Telluride VMR 99.999% metals basis
Silica Quartz Tubing H. Baumbach & Co.  Various diameters and lengths used; typically 1 cm OD, 0.8 cm ID and 8 cm long.
Tube furnace Carbolite MTF-12/38/250
JEOL ARM 200F  JEOL  200 kV High Resolution TEM Operated at 80 kV and equipped with CEOS hardware spherical aberation (Cs) imaging corrector. Cs corrected to 0.001 mm.
SC1000 ORIUS camera Gatan Size of CCD 4,008 x 2,672
Digital Micrograph Suite 2.31 Gatan 64 bit version
XMax X-ray Microanalysis  Oxford Instruments This detector uses the silicon drift detection (SDD) principle. 1 nm diameter electron probe.
Crystalmaker Ver 8.7 Crystalmaker Used for assembling crystal fragments for image simulations
Nanotube Modeler JCrystalSoft ©2015-2015 Used for generating Nanotube models
SimulaTEM Private Ultramicroscopy, 110, 95-104 (2010).
Verdi V8 Pump Coherent
Mira 900 Ti:Sapphire Coherent
Volume Bragg Grating Optigrate Specfication between 680-720 nm
Photonetc TLS 850 LLTF  Photonetc Tunable between 700-1,000 nm
LMPLAN IR 50X Mircoscope Objective Olympus
Cryostat Oxford Instruments
Triple Raman Spectrometers Princeton Instruments triple 600 nm using gratings 900, 900, 1,800 lines/mm
CCD Princeton Instruments deep depleted, UV enchanced liquid N2 Cooled Silicon CCD

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Raman, C. V., Krishnan, K. S. A new type of secondary radiation. Nature. 121, 501-502 (1928).
  2. Gudiksen, M. S., Lauhon, L. J., Wang, J., Smith, D. C., Lieber, C. M. Growth of nanowire superlattice structures for nanoscale photonics and electronics. Nature. 415, 617-620 (2002).
  3. Hisamoto, D., et al. FinFET-a self-aligned double-gate MOSFET scalable to 20 nm. IEEE T Electron Dev. 47, 2320-2325 (2000).
  4. Hurst, S. J., Payne, E. K., Qin, L., Mirkin, C. A. Multisegmented one-dimensional nanorods prepared by hard-template synthetic methods. Angew Chem. 45, 2672-2692 (2006).
  5. Ishii, H., et al. Direct observation of Tomonaga-Luttinger-liquid state in carbon nanotubes at low temperatures. Nature. 426, 540-544 (2003).
  6. Frank, S., Poncharal, P., Wang, Z. L., de Heer, W. A. Carbon Nanotube Quantum Resistors. Science. 280, 1744-1746 (1998).
  7. Bastard, G. Superlattice band structure in the envelope-function approximation. Phys Rev B. 24, 5693-5697 (1981).
  8. Sloan, J., et al. A One-Dimensional BaI2 Chain with Five- and Six-Coordination, Formed within a Single-Walled Carbon Nanotube. Angew Chem I E. 41, 1156-1159 (2002).
  9. Philp, E., et al. An encapsulated helical one-dimensional cobalt iodide nanostructure. Nat Mater. 2, 788-791 (2003).
  10. Carter, R., et al. Correlation of Structural and Electronic Properties in a New Low-Dimensional Form of Mercury Telluride. Phys Rev Lett. 96, 215501 (2006).
  11. Sloan, J., Kirkland, A. I., Hutchison, J. L., Green, M. L. H. Integral atomic layer architectures of 1D crystals inserted into single walled carbon nanotubes. Chem Commun. 1319-1332 (2002).
  12. Eliseev, A., Yashina, L., Kharlamova, M., Kiselev, N. Electronic Properties of Carbon Nanotubes. Marulanda, J. M. InTech. (2013).
  13. Senga, R., et al. Atomic structure and dynamic behaviour of truly one-dimensional ionic chains inside carbon nanotubes. Nat Mater. 13, 1050-1054 (2014).
  14. Spencer, J. H., et al. Raman Spectroscopy of Optical Transitions and Vibrational Energies of ~1 nm HgTe Extreme Nanowires within Single Walled Carbon Nanotubes. ACS Nano. 8, 9044-9052 (2014).
  15. Brown, G., et al. High yield incorporation and washing properties of halides incorporated into single walled carbon nanotubes. Appl Phys A. 76, 457-462 (2003).
  16. Ebbesen, T. W. Wetting, filling and decorating carbon nanotubes. J Phys Chem Solids. 57, 951-955 (1996).
  17. Cardona, M., Merlin, R. Light Scattering in Solid IX. Vol. 108 Top Appl Phys. Cardona, M., Merlin, R. Springer. Berlin Heidelberg. Ch. 1 1-14 (2007).
  18. Schadler, L. S., Giannaris, S. C., Ajayan, P. M. Load transfer in carbon nanotube epoxy composites. Appl Phys Lett. 73, 3842-3844 (1998).
  19. Zardo, I., et al. Pressure Tuning of the Optical Properties of GaAs Nanowires. ACS Nano. 6, 3284-3291 (2012).
  20. Eliseev, A. A., et al. Structure and electronic properties of AgX (X=Cl,Br,I)-intercalated single-walled carbon nanotubes. Carbon. 48, 2708-2721 (2010).
  21. Dresselhaus, M. S., Dresselhaus, G., Saito, R., Jorio, A. Raman spectroscopy of carbon nanotubes. Phys Rep. 409, 47-99 (2005).
  22. Strano, M. S., et al. Electronic Structure Control of Single-Walled Carbon Nanotube Functionalization. Science. 301, 1519-1522 (2003).
  23. Weisman, R. B., Bachilo, S. M. Dependence of Optical Transition Energies on Structure for Single-Walled Carbon Nanotubes in Aqueous Suspension: An Empirical Kataura Plot. Nano Lett. 3, 1235-1238 (2003).
  24. Blancon, J. C., et al. Direct measurement of the absolute absorption spectrum of individual semiconducting single-wall carbon nanotubes. Nat Comms. 4, 2542 (2013).
  25. Kim, U., et al. Infrared-Active Vibrational Modes of Single-Walled Carbon Nanotubes. Phys Rev Lett. 95, (2005).
  26. Krestinin, A., et al. Perspectives of Single-Wall Carbon Nano-tube Production in the Arc Discharge Process. Eurasian Chem Technol. 1, 7-18 (2003).
  27. Pennycook, S. J. Transmission Electron Microscopy: A Textbook for Materials Science, Second Edition. Williams, D. B., Carter, C. B. Springer. New York. 932 pages. ISBN 978-0-387-76500-6 (Hardcover), ISBN 978-0-387-76502-0 (Softcover) (2009).
  28. Bell, D. C., et al. Imaging and analysis of nanowires. Microsc Res Tecnhiq. 64, 373-389 (2004).
  29. Williams, D., Carter, C. B. Transmission Electron Microscopy. Springer US. Ch. 32 581-603 (2009).
  30. Ingale, A., Bansal, M., Roy, A. Resonance Raman scattering in HgTe: TO-phonon and forbidden-LO-phonon cross section near the E1 gap. Phys Rev B. 40, 12353-12358 (1989).
  31. Shen, Y., Quirke, N., Zerulla, D. Polarisation dependence of the squash mode in the extreme low frequency vibrational region of single walled carbon nanotubes. Appl Phys Lett. 106, 201902 (2015).
  32. Puretzky, A. A., Geohegan, D. B., Rouleau, C. M. Narrow and intense resonances in the low-frequency region of surface-enhanced Raman spectra of single-wall carbon nanotubes. Phys Rev B. 82, 1-9 (2010).
  33. Yariv, A. The application of time evolution operators and Feynman diagrams to nonlinear optics. Quantum Electronics, IEEE. 13, 943-950 (1977).
  34. Cantarero, A., Trallero-Giner, C., Cardona, M. Excitons in one-phonon resonant Raman scattering: Frohlich and interference effects. Phys Rev B. 40, 12290-12295 (1989).
  35. Shields, A. J., Cardona, M., Nötzel, R., Ploog, K. Influence of the exciton lifetime on resonant Raman scattering in quantum wells. Phys Rev B. 46, 10490-10493 (1992).
  36. Ye, J. T., et al. Liquid-gated interface superconductivity on an atomically flat film. Nat Mater. 9, 125-128 (2010).
Aşırı Nanotel ve Diğer 1D Sistemleri Rezonans Raman Spektroskopisi
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Smith, D. C., Spencer, J. H., Sloan, J., McDonnell, L. P., Trewhitt, H., Kashtiban, R. J., Faulques, E. Resonance Raman Spectroscopy of Extreme Nanowires and Other 1D Systems. J. Vis. Exp. (110), e53434, doi:10.3791/53434 (2016).More

Smith, D. C., Spencer, J. H., Sloan, J., McDonnell, L. P., Trewhitt, H., Kashtiban, R. J., Faulques, E. Resonance Raman Spectroscopy of Extreme Nanowires and Other 1D Systems. J. Vis. Exp. (110), e53434, doi:10.3791/53434 (2016).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
simple hit counter