극단적 인 나노 와이어 및 기타 1D 시스템의 공명 라만 분광법

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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).

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Abstract

Introduction

라만 분광법과 공명 라만 분광법 널리 과학적 및 기술적으로 악용되어 잘 확립 된 기술이다. 1928 제 1 라만 스스로보고 동안 라만 분광기의 광범위한 보급 이용에 키 고강도, 협 대역 여기 소스를 제공하는 레이저 라만 공명의 경우 가변 파장 레이저의 개발이었다. 공명 라만 산란이 ~ 1-5 원자의 직경, 예를 들어 나노 와이어를 기본 물리학을 조사하고 일반 및 극단적 인 나노 와이어에 1D 시스템의 샘플을 특성화를위한 특히 중요한 방법입니다 왜이 논문은 제시한다. 또한 라만 분광법 등 나노 와이어 및 이들 극복함으로써, 이러한 시스템에서의 라만 산란 효율의 레이저 에너지 의존성 높은 반복 측정을 달성 할 수 있도록하는 프로토콜의 특별한 어려움을 설명한다.

exte 다양한가연구와 응용 프로그램을 사용할 수 또한 나노 와이어로 알려진 nded, 결정 1D 양자 시스템. 이 증기 - 액체 - 고체 성장 된 반도체 나노 와이어 2, 리소그래피 정의 나노 와이어 (3), 양극 알루미나를 포함하고 에칭 막 템플릿 나노 와이어 (4) 다른 사람을 추적 할 수 있습니다. 이러한 시스템에 대한 관심이 중요한 이유는 구성에 따라 자유롭게 이동하는 전자와 다른 음원 정보 능력 큰 양자 구속 효과를 결합한다는 것이다. 어떤면에서, 나노 와이어 인해 자유 전하 (5) 전자파 차단 등을 감소 상위 재료는 상당히 상이하고, 어떤 경우에는 탄도 수송 6 선도 전자 산란을 감소시켰다. 그러나, 많은 점에서 나노 와이어는 여전히 로컬 본딩 결정 구조 예와 같은 일괄되고, 거의 항상 원자 수준에서 전자파 함수의 기본적인 품질을 약하게하므로 대량 ​​비해 수정봉투 근사 것을 7 유효합니다. 밀폐 방향의 치수가 몇 원자 감소하지만 같은 완전히 새로운 결합을 가진 나노 와이어는 결코 이전에 본 적이 동소체 8-10을 형성 발생할 수 있습니다. 이 나노 와이어는이 감각의 극단적; 그들은 단면 11 ~ 13의 수 감소의 극단적 인 한계 그리고 그들은 극단적 인 특성 10,13,14 있습니다.

공명 라만 분광법에 착수하기 전에, 극단적 인 나노 와이어 샘플을 생성하기 위해 필요하다. 이러한 나노 와이어를 생성하기 위해 본 논문에 제시된 방법론은 단일 벽 탄소 나노 튜브로 재료의 용융 침투입니다. 용해 침투하면 가장 최근에 (즉, 풀러렌) 일부 이진 염을 연속적으로 충전 단층 카본 나노 튜브 (SWNT), 일부 분자의 도입에 대한 인기가 다른 하나의 승화를 얻기 위해 사용되는 두 고 수율 충전 프로토콜 중 하나 인 한 CsI (13). 후자의 방법은 정량 충전 근처 생성하지만,이 재료는 크게 SWNT로 도입 될 수 충전재의 수와 유형을 제한해야하는 쉽게 승화를 도입하는 것을 제한한다. 용융 침투 충전 프로토콜 조심 정량 충전 (15) 근방에 생성하기 위해 사용되며, 승화 프로토콜보다 적은 제약을 보유 할 수있다. 이들 재료가 호스트 벽 탄소 나노 튜브의 손상을 방지하기 위해, 표면 장력보다 낮은 100 ~ 200 백만 m -1 내지 약 1300 K 이하의 용융 온도를 가져야한다. 16

투과 전자 현미경 (TEM)을 카본 나노 튜브의 충전 품질을 특성화하고 생성 된 나노 극도의 결정 구조 또는 구조들을 식별하는 가장 좋은 방법이다. HRTEM 이미지에서 SWNT 매립 결정 단편의 구조를 해결하는 시험 결정 단편 모드에서 이미지 시뮬레이션 사이의 시행 착오 비교를 포함ELS와 실험적으로 얻어진 이미지의 대비. 이 논문은 자신의 분광 특성에 대한 서두로서 HRTEM 이미지 시뮬레이션에 의한 SWNT 샘플의 극단적 인 나노 와이어 모티브의 미세 구조를 확인하기위한 프로토콜을 설명합니다.

공명 라만 분광기 (17)가 이상적인 도구 모두 공진 에너지는 나노 와이어 샘플의 종류와 품질을 특성화를 위해 결정되고 나면 극단적 나노 와이어의 기본 물리학 및 이해를위한. 기본적으로, 공명 라만는 모두 광학 및 진동 여기 에너지 (17)의 직접적인 결정을 할 수 있습니다. 공진의 광자 에너지 의존성을 추가로 모델링는 전자 포논 상호 작용 (17)을 계량 할 수있다. 공명 에너지는 특히 극단적 인 나노 결정 되었으면, 나노 와이어의 라만 스펙트럼은 18 변형을 추적하는데 사용될 수 있고 구조적 위상 인해 19 변경온도, 수압 또는 와이어의 굽힘. 아직 입증하는 동안, 몇 가지 자기 극단적 인 나노 와이어에서 가진에 그들을 탐색 할 수 있도록 라만 산란으로 이어질 것 스핀 가능성이 높습니다. spectroelectrochemical 셀에 유지 샘플 라만 산란 연장 극단적 나노 튜브와 호스트 (20) 사이의 전하 전송을 검사하는데 사용될 수있다. 특성화 도구로서 라만 분광법은 나노 와이어 종류와 품질 (21)의 비접촉, 비파괴 측정하는 방법을 제공한다. 그것은 제조 및 / 또는 정제 후 샘플을 특성화하기위한 도구로서 이용 될 수있는 나노 와이어 트랜지스터 또는 적어도 부분적으로 투명 필요한 광자 에너지에있다 복합체와 같은 장치에 포함 된 경우에도.

공명 라만 산란 (RRS)에 대한 직접적인 대안을 제공 할 수있는 하나의 기술은 없다; 그러나 일부 ASPE 중첩 다른 기술의 범위에있다기능의 캐럿이 방법. 극단적 나노 UV-VIS-NIR 흡수 측정 22 쿠폰보다 간단한 기술의 광학 천이 에너지를 결정하는 조건이다. 그러나 특정 구조와 연관된 세트로 다른 광학 기능을 분리 할 수​​있는 다른 구조의 흡광의 앙상블 샘플이다. 공명 라만 산란 광과 진동 스펙트럼의 연결이 때문에 달성 할 수있다. 자외선 VIS-NIR 흡수 측정 하이라이트 공명 라만 에너지 타겟팅 된 두 기술의 조합은 상당히 전체 공정을 단축 할 수있다. 여기 광 발광 스펙트럼 (PLE) (23)는 하나의 샘플에서 상이한 광학 전이를 연결하는 기능을 제공하며; 그러나는 특히 비 - 금속 나노 와이어 일부 작동하며 RRS보다 수행 약간 덜 복잡하며 일반적으로 ENVIRO으로부터 보호 단 분산 샘플을 필요nment 완전히 성공합니다. PLE는 달리, 공명 라만 분광법은 번들과 단 분산 샘플과 동일하게 작동하기 때문에 작은 샘플 준비가 필요합니다. 아직 약간의 사용 동안, 투과 전자 현미경 (TEM) 연구 스펙트럼 범위 내에서 와이어의 광 여기 에너지를 모두 파악하고, 특정 나노 와이어 구조를 식별 할 수있는 나노 와이어의 구조를 분석 하였다 개별 나노 와이어 (24)의 레일리 산란 분광법 . 그러나,이 기술은 RRS와 가능한 진동 에너지 정보를 제공하지 않는다; 수행하는 것은 매우 도전 결코 일반적인 특성 도구로 적합 할 것 없습니다. 진동 에너지 정보의 관점에서 유일하게 현재 가능한 대안은 그러나이 진동 에너지의 다른 세트를 조사함으로써 보완이 아닌 경쟁하기 때문에 선택 규칙에, 가능성이 IR 분광법 (25)이다. 또한 IR은이야pectroscopy는 UV-VIS-NIR 흡수 측정과 같은 앙상블 샘플과 같은 문제에서 겪게됩니다.

이미 설명한 바와 같이 라만 분광법 과학 내의 광범위한 문제에 적용되어왔다. 분자 시스템에서는 재료의 조성을 분석하는 핑거 프린팅 기법으로도 진동 스펙트럼을 결정하고 대한 IR 스펙트럼을 보완하기 위해 사용된다. 그것은 널리 예를 들어 결정 시스템에 이용 된 책의 솔리드 시리즈의 광산란은 구 볼륨이 포함됩니다. 3D 및 2D 시스템의 경우, 공진 여진 표준 선택 규칙의 붕괴와 상호 작용을 정량화하는 능력 선도 라만 프로세스 내의 특정 광학 전이의 기여를 향상시키기위한 전체 산란 강도 등을 향상시키기위한 이하 사용 특정 전자 상태와 라만 스펙트럼에서 관찰의 기진. 보다 최근 라만 분광법이있다 중앙 t카본 나노 튜브, 특히 단일 벽 탄소 나노 튜브의 연구 O. 카본 나노 튜브 연구 21 (1D) 시스템의 공진이 여기 차원 및 3 차원 시스템에 대한 라만 대부분의 애플리케이션대로 선택적 아니지만 반드시 필요하다는 점을 강조하고있다. 비 공진 라만 산란이 관찰되기에 너무 약한 여진 특별히 1D 시스템의 특징있는 상태의 광학 밀도의 강한 반 호브 특이성, 공진 때만 그 때문, 임의 라만 스펙트럼 그 관찰 될 수있다. 따라서, 극단적 인 나노 와이어의 경우에는 라만 분광기의 사용은 라만 분광법이 물질을 연구에 적용되기 전에 샘플의 나노 와이어 모두의 공진을 찾기 위해 전체 공명 라만 측정을 필요로한다.

Protocol

1. 샘플 준비 : 수은 텔 라이드 (HgTe로) 및 기타 재료와 단일 벽 탄소 나노 튜브의 용융 충전

주의 :이 프로토콜에 사용되는 일부 화학 물질이 건강에 위험 할 수 있습니다. 어떤 화학 물질이 발생하기 전에 관련 물질 안전 보건 자료를 참조하십시오. 적절한 개인 보호 장비 (실험실 코트, 보호 안경 등) 및 엔지니어링 컨트롤을 활용 (예를 들어, 글러브 박스, 흄 후드 등) 탄소 나노 튜브 및 수은 텔루 라이드를 처리.

  1. 예열 ~ 건조한 공기에서 400 ° C 50 mg을 단일 벽 탄소 나노 튜브 또는 진공에서 500 ° C.
    주 : 건조 공기가 사용되는 경우, 단일 벽 탄소 나노 튜브의 부피의 일부 손실이 일반적 20-40%있을 수있다. 이러한 방식으로 충전하기 전에 단일 벽 탄소 나노 튜브의 예열 분자 또는 결정 (12)으로 가득의 SWNT의 비율을 개선하는 것으로보고되었다.
  2. 이 경우에는 수은의 TE 충전재의 동량 예열 된 단일 벽 탄소 나노 튜브 (26)의 아르곤 글로브 박스 분쇄 ~ 20 mg의 (에lluride) 친밀한 혼합물을 생산하기 위해 힘을 적용, 마노의 박격포와 유 봉을 사용하여> 20 분.
  3. 여전히 글러브 박스에서, 8~10mm (내경)에 다른 일단에 밀봉 오픈 6-10cm 긴 실리카 석영 앰플에 합제를 채우는 SWNT 전량을 전송 /있다.
    주 : 필터 종이 깔때기 1.3에 유용하다. 용융 용광로가 손상 될 수 있습니다 유리의 해당 학년으로 일반 실험실 유리 앰플을 사용하지 마십시오.
  4. 글러브 박스 내부에서 일시적 진공 라인에 전송 플라스틱 필름과 앰플의 개방 단부를 밀봉. 이 진공 라인에 고정되면 필름을 제거합니다.

2. 피난 및 작성 단계

  1. /를 SWNT를 포함하는 중간 진공 (일반적으로 ~ 0.1 PA)에서 복합 충전 앰플을 밀봉합니다.
  2. 프로그래머블 튜브 또는 머플 채우기의 ~ 5 ° C 분 -1 ~ 100 °의 C> 융점 (MP)의 램프 속도로 밀봉 된 앰플을 가열48 시간의 총 시간이 12 시간의 기간에 대한 +/- 100 ℃의 온도에서 열 순환으로 보내고.
  3. 오픈 스토리지 속보 5 ° C의 분보다 크지 -1 이전 속도로 실온까지 노에서 앰플을 냉각.
    위험 : 오픈 앰플을 깨는 것은 잠재적으로 삭감 될 수 있습니다 또는 큰 눈 충격 위험을 제시, 내파 수 있습니다. 눈 보호 및 안전 장갑이 작업을 수행하는 동안 착용해야합니다. 앰플 안전 유리 스크라이브와 중앙에 첫 득점으로 앰플을 파괴하고 뻣뻣한 천으로 포장하여이 위치에 차단하고 동시에 압력을 점수 지점의 양쪽 굽힘 적용 할 수있다.

3. 샘플 청소

  1. ~ 1 시간 동안 진한 염산과 HNO 3 (총 부피 50 ㎖)의 1 : 1 혼합물 부드럽게 1의 샘플을 환류하여 단일 벽 탄소 나노 튜브에 외부 화합물을 제거합니다.
  2. 조절 된 세공 (F)를 사용하여 탈 이온수 및 필터 샘플을 씻어~ 0.22 ㎛의 세공 크기를 갖는다 ilter.

고해상도 TEM에 의해 샘플 4. 분석 (HRTEM)

  1. 온 / 오프 펄스에 2 초와 팁 초음파 처리기에서 권력의 W (750)의 약 20 %에서 초음파와 에탄올 ~ 5 ml의 샘플의 ~ 5 mg의 분산.
  2. 3.05 mm 레이 카본 코팅 HRTEM 표본 그리드에 분산의 1-2 방울을 넣습니다.
  3. 80 kV의 수차 보정 HRTEM에 HRTEM 27, 29 촬상을 수행하고 4008 X 2672 픽셀 전하 결합 소자 (CCD)를 구비.
  4. 동일한 배율에서 CCD를 Precalibrate는 분산 금 나노 입자 (0.235 내지 의해 분리), (111) 격자 평면을 이용하여 나노 와이어 / 탄소 나노 튜브 복합체를 영상화에 사용된다.
  5. 적어도 60 시간의 최적 슈어 디 포커스 이미징 조건 하에서 배율로 개별 가득 SWNT 샘플의 이미지를 얻습니다.
  6. 에너지 분산 형 X 선 마이크로 애널라이저에 의해 충전의 조성을 확인 (EDX)

5. HRTEM 이미지 시뮬레이션에 의해 극단적 인 나노 와이어 포함 된 단일 벽 탄소 나노 튜브의 미세 조직을 확인

주 : 이미지를 직접 비교 될 수있다 비트 맵 이미지 (* .BMP) 시뮬레이션을 생성 SimulaTEM 등이 이용 될 수있는 표준 멀티 나선형 이미지 시뮬레이션 패키지 시뮬레이션. 다양한 플랫폼을 통해 소프트웨어의 작동에 대한 정확한 내용은 제조사의 프로토콜을 따르십시오.

  1. 드리프트의 무료 ~ 5 나노 미터의 SWNT를 따라 거리를 볼 명확하게 해결 원자의 열 나노 와이어의 HRTEM 이미지를 선택합니다. 나노 와이어 / 나노 복합체의 장축은 전자 빔에 대하여 직교한다.
  2. 보정 된 이미지 (단계 4.4)을 사용하여 원자 컬럼에 직접 원자의 위치를 플롯에 의해 원자 좌표를 생성합니다. 8 높은 결정 대칭의의 경우tructure; 하나의 이미지는 11이 필요합니다. 구조를 완료하기 위해 모델에 투영 2-3 원자 층을 추가합니다. 저 대칭 모델의 경우, 두 개의 나노 튜브 (10)에서 두 개 이상의 동일한 결정 학적 절편의 둘 이상의 다른 예측에서 결정 구조를 해결.
  3. 생성 *가 .xyz 나노 튜브의 관계에 따라 결정되는 적절한 프로그램 (예 TubeGen 3.4)를 사용하여 적절한 직경의 나노 튜브의 좌표.
    식 (1)
    D는 직경이고, a는 CC 결합 거리 (0.246 ㎚) n 및이 튜브 형태 m이된다. 나노 튜브는 고려 나노 튜브 벽 (0.17 ㎚)의 탄소 원자의 반 데르 발스 반경이 5.2 촬영 단계에서 생성 된 결정의 외부 체적을 수용 할만큼 충분히 커야한다.
  4. 나 노선 / 나노 튜브 합성물에서 복합 원자 좌표를 조립ITE은 1D 결정이 삽입되어 나노 튜브의 공통 중심 축선을 따라 정렬 한 다음, 최종 모델 *의 .xyx 또는 * .PDB 형식 좌표를 저장되도록 적절한 구조 조작 프로그램 (예 Crystalmaker)을 사용.
  5. 5.3 생성 원자 좌표를 사용하여 표준 멀티 나선형 시뮬레이션 프로토콜 (예 SimulaTEM)를 이용하여 나노 와이어 / 나노 복합체의 시뮬레이션 이미지를 생성한다.
  6. 복합체의 장축이 전자 빔에 직교하도록 예비 방향 복합 시뮬레이션. HRTEM 기기와 일치 (예를 들어, 0.001 mm 세슘) 가속 전압과 일치 시뮬레이션 파라미터 (예를 들면 80 kV의) 구면 수차 계수를 사용한다.
  7. 시각적 이미지에 시뮬레이션의 모양을 비교합니다. 양호한 시각적 매칭이 얻어지지 않는 경우 적절한 간격 (예를 극단적으로 나 노선 / 나노 복합체의 장축에 대한 단편을 돌린다.g. 10 °)하고 다시 시뮬레이션합니다. 복합의 전체 180 ° 회전에 대해이 단계를 반복합니다.
  8. 실험적으로 몇 군데 단편 이상적인 직교 방향에 대해 기울어 져 있음이 의심되는 경우, 반복은 좋은 경기를 얻을 때까지 5.5 ± 10 °의 틸트와 5.7 단계를.

라만 분광법에 적합 샘플 6. 준비

위험 : 나노 튜브 용액의 초음파는 튜브 또는 충전 튜브를 포함하는 에어로졸을 형성 할 수 있고, 샘플을 계속해서 올바르게 처리되지 않으면,이 나노 튜브 또는 나노 튜브에 충진 오퍼레이터 호흡을 초래할 수있다.

  1. , 유리 병에 나노 튜브 제품의 20 mg의 장소 20 ml의 에탄올을 추가하고 뚜껑을 밀봉.
  2. 20 W에서 목욕 초음파기 및 초음파 처리에 배치 바이알에 대한 ~ 액체까지 20 분 어두운집니다. 밖으로 정착 유리 병에 에어로졸 나노 튜브를 허용하는 5 ~를위한 시간을 둡니다.
  3. 조심스럽게 존재하는 경우 바닥 정지를 선동하는 병을 소용돌이 친다. 피펫을 사용하여, 산화물 코팅 된 실리콘 기판 (5mm × 10 ㎜)에 정지 코트 10 ~ 20 μl를 삭제하고 에탄올이 증발 할 수 있습니다.

(7)의 저온에서 샘플을 장착

  1. 그라 이오 스탯 차가운 손가락에 금속 전도성 페인트 (약 2mm 2)의 방울을 넣고 부드럽게 페인트 방울에 실리콘 샘플을 놓고 1 ~ 2 시간 동안 건조 할 수 있습니다.
  2. XYZ 스테이지 상에 제조 업체의 프로토콜과 볼트의 저온에 따라 저온 유지 장치를 밀봉 오일 프리 펌프를 사용하여 10-6 밀리바에의 저온 펌프.

8. 초기 설정 및 라만 시스템의 최적화

참고 : 프로토콜의 다음 섹션을 읽기 전에 그림 10에 제시된 실험 회로도를 참조하십시오.

  1. 제조사의 프로토콜에 따라 동조 가능한 레이저 소스를 사용하여 원하는 값 (예를 들어 800 ㎚)로 설정 입사 파장.
  2. 그림 10에서 조정 레이저 프리 필터 (C 그림 10에 따라 광 설정을 수정하고 다음 하위 프로 시저를 사용하십시오.
    1. VBG을 통해 레이저의 전송을 줄이기 위해 수직 축을 중심으로 VBG을 돌립니다. VBG 미러 마운트를 사용하여 미세 조정.
    2. 브래그에 위치 미러 다시 VBG 위에 빔과 재귀 반사 빔을 반영합니다. VBG를 통해 재귀 빔의 전달을 억제하는 거울을 조정합니다.
    3. 레이저 출력의 전달을 극대화 할 VBG 및 재귀 반사 미러를 미세 조정 조리개 (1)를 통해 전송되는 레이저 파워를 측정.
  3. 두 개의 빔 관찰 카메라 (C1 및 C2)에 관련 빔 스플리터 (BP1 및 BP2)에서 반사 위치를 변경하여 미리 정의 된 경로에 레이저 빔을 반환하는 포스트 필터 (C) 거울 (M1 및 M2)를 조정합니다.
  4. 간접적으로 분광계로 산란에 의해 레이저의 광자 에너지를 측정한다. 디이 민감한 분광 카메라를 손상시킬 수있는 오 분광계에 직접 빛을 산란하지.
  5. ~ 1 mW의에 목적 (및 PM2)에 따라 전력 사건을 설정하는 반 파장 판 (HWP1)를 조정합니다.
  6. 이미징 광학 (그림 10 : 파란색 점선)를 사용하여 샘플 이미지를 확인하고 레이저 스폿이 더 stigmation와 원하는 위치에 있는지 확인 (있을 경우 8.3에 최적화).
    참고 : 다음 10 단계 레이저를 보장하기 위해 처음 사용하는 효율적 분광계로 연결된다. 완료되면, 다음 단계는 큰 변화가 광 설치에 때까지 반복 필요가 없습니다.
  7. 8.6에 따라 샘플의 위치를​​ 조정 그래서 레이저 스폿은 실리콘의 깨끗한 영역에 초점을 맞추고 있습니다.
  8. 설정 분광계 (슬릿 1) 주문을 영차와 분광계의 첫 번째 단계의 입력 슬릿의 이미지를 볼 수 분광계 (그림 10 구성 요소 E)에 내장 관찰 카메라를 사용할 수 있습니다.
  9. , 관찰 카메라를 사용하여, 슬릿 1 열고 확인 refle 그샘플로부터 cted 레이저 광이 슬릿을 입력한다.
  10. 커플 링 렌즈를 조정하여 (L3) 센터 레이저 스폿 입력 슬릿 수평 및 수직 카메라에 확인합니다.
  11. 반복 슬릿 1 폭을 줄이고 제대로 슬릿 (1) 카메라를 중심으로하는 레이저를 보장하기 위해 8.10를 반복합니다. 이 과정에서 그 레이저 광이 슬릿 (1)의면에 대략 집중 반사 있도록 슬릿 (1)로부터 레이저 광 산란을 최소화하는 커플 링 렌즈의 초점을 조절한다.
  12. 슬릿, 1 반사 된 레이저 광은 크게 슬릿 (1)에 의해 클리핑되지 않도록.
  13. 520cm -1 실리콘 라만 피크의 라만 산란을 수집, 제조 업체의 프로토콜에 따라, 분석기 소프트웨어를 설정합니다.
  14. 10 mW의 전력을 설정합니다.
  15. 초점 시작 1 초 노출을 반복 라만 스펙트럼을 가져 가라.
  16. 잘 정의 된 520cm까지 샘플의 Z-초점을 조절 -1시 피크가 관찰된다.
  17. (입력 반파 플레이트를 조정하여 H를이 신호를 최대화WP2)은 (이 출사 공진의 편광 분광기의 격자) 입력 렌즈와 시료의 Z 포커스에 의존 할 것이다.

단일 라만 스펙트럼 9. 측정

  1. 설정 원하는 온도 (4 K) 및 시스템 (~ 40 분) 평형 수 있습니다.
  2. PM2 ~ 2 mW의에 따라 설정 입사 레이저 파워.
  3. 단계 8.4에서 결정된 것과 분석기 소프트웨어에 파장을 설정합니다.
  4. 0cm에 분광계 소프트웨어에 중심 이동을 설정 -1 레이저 라인을 측정하는 라만 스펙트럼을 짧은 (500 밀리 초)을 취득.
  5. 사용 가치는 분광계 소프트웨어의 새로운, 더 정확한 파장을 설정하는 9.4 결정.
  6. 소프트웨어의 설정 중심 이동과 스펙트럼 창 라만 모드를 예측 관찰하는 등 스펙트럼 창은 레이저 라인의 꼬리를 포함하지 않습니다.
  7. 관심의 영역에 샘플 위치 이동 (번들 튜브 샘플 위치의 선택, 자세한 내용은 섹션 14 참​​조 중요하다).
  8. <리> CCD는 제조 업체의 프로토콜에 따라 1 초 노출에 초점을 맞추고와 라만 스펙트럼을 획득.
  9. 전력계 (PM1)에서의 반사 전력을 최대화하는 스테이지 제어기를 사용하여 샘​​플의 Z 초점 위치를 조정한다.
  10. 충분한 신호 (절대> 1000 카운트)를 얻기 위해 적절한 노출 시간을 사용하여 라만 스펙트럼을 획득.

(10) 측정 라만 단면의 레이저 파워 의존의

  1. 작동 온도에서 특정 샘플에 대한 공명 예상 피크로 설정 레이저 파장.
  2. 저전력 (~ 0.1 mW의)을 설정하고이 프로토콜의 섹션 9.3-9.10에 따라 라만 스펙트럼을 획득.
  3. HWP1이 회전으로 ​​샘플에 레이저 스폿이 이동하지 않는 것을 보장 (~ 0.1 mW에 의해) 전원을 늘립니다. HWP1의 회전에 레이저 스폿 이동 후 보장하기 위해 8.3에 따라 다시 정렬하면 이런 일이 다시 실험을 시작되지 않습니다.
  4. ~ 5 mW의에 최대 힘의 적절한 범위 10.3를 반복합니다. 이 사전 처리를 반복각각의 작업 온도의.
  5. 레이저 파워에 비해 관찰 라만 기능의 장착 강도를 플롯 및 선형 영역을 결정한다. 선형 영역의 상부 전력 한계의 80 %의 온도에서 모든 후속 공명 라만 실험을 수행한다.

라만 단면의 레이저 에너지 의존 11. 측정

  1. (10)에서 결정이 입사 전력을 설정 설정 원하는 여기 파장 (예를 들어 700 ㎚) 및 섹션 8.1-8.6와 시스템에 따라 정렬.
  2. 시료 Z 초점을 조정함으로써 반사 전력을 최대화하고 연속 주 라만 기능의 강도를 확인하기 위해서 1 초 노출을 획득.
  3. 검출기 포화없이 CCD에 신호를 최대화하기 위해 노출 시간과 축적을 설정합니다.
  4. 스펙트럼 주목을 저장 격자 사용한 파일명, 노출 시간, 누적 센터 라만 시프트 여기 에너지 입사 전력의.
  5. 설정 다음 EXC입사 레이저 출력을 보장하는 단계를 반복하여 8.1-8.6 itation 파장은 일정하고, 단계 11.2에 따라 반사 전력을 최대화. 초기 결과 약 10 nm의 간격 여기 레이저 파장을 사용한다. 약 2 나노 미터의 프리젠 테이션 품질 결과 레이저 파장 분리를 들어 바람직하다.
  6. 각 6 개의 새로운 여기 파장이 일 이전의 여기 파장 (예를 들어 700 ㎚) 및로 복귀 한 후 11.1-11.5를 반복합니다. 실험 시간의 함수로서 반복 스펙트럼에서 하나의 키 라만 형상의 끼워 맞춤 강도를 플롯 더 장기간 드리프트가없는 확인.

라만 스펙트럼의 편광 의존 12. 측정

  1. 도 10 (보라색 점선)에 나타낸 바와 같이 대물 분광계 간의 경로에 편광 분석기 (POL2)를 놓는다. 또한 대물 전의 광로에 반 파장 플레이트 및 편광판 (HWP3 및 Pol3)를 배치;이는 입사되는 편광을 회전 시키도록 사용될 것이다. 입사 방사선이 광학 축선에 수직 인 상기 광학 중심을 이동하여 모든 편광판 HWPs이 정확하게 정렬되어 있는지 확인.
  2. 수직 편광을 통과 Pol3을 조정합니다. 베어 실리콘 조각 강한 라만 신호를 사용하여 수직 편광을 통과 라만 신호의 강도를 최대화하기 HWP2을 조정 (POL2)를 조정한다. HWP2의 회전 분광계로 들어가는 광의 편광 방향을 참고. 이 실험의 나머지 부분에서, 실험에서 상기 광 입사 편광 분석기를 통과 방향 편광의 변화를 보상하기 위해 HWP2을 조정하여 변하지 확인.
  3. 편광 분석기의 정렬을 확인; 확인 신호가 여전히 동일하게 편광를 180도 회전합니다.
  4. HWP와 단계 12.3를 수행합니다 (그 전체 혁명의 주위에 90 단계에서 회전). 각 단계에서 신호 (있는 경우)의 변화를합니다.
  5. Z 축 초점을 조정함으로써 반사 전력을 최대화하고 적절한 입력 전력 및 노출 시간 / 축적을 이용한 라만 스펙트럼을 획득.
  6. 적절한 피치 (10 °)으로 수집 편광판을 조정하고 12.2에서 논의 된 바와 같이 분광계 일정에 빛을 입사 편광을 유지하는 등의 방법으로 HWP를 조정합니다.
  7. 편광판의 전체 범위까지 단계를 반복 12.7 측정되었습니다.
  8. 수평 목적에 입사하는 광의 편광을 변경합니다.
  9. 이 샘플에 이동하는 레이저 스폿의 원인이되지 않았는지 확인합니다. 단계 12.7과 12.8에서 측정을 반복합니다. 다른 입사 편광이 사용될 수 있으나, 적어도 두 개의 수직 편광이 필요하다. Pol3 상기 광의 편광에 대한 상기 대물 광학계 사이의 비 수평 또는 수직으로 편광 효과를 사용하는 경우 considerat에주의 할 필요이온.
  10. 라만 기능을 캡슐화 된 나노 와이어 (대표 결과를 참조)과 관련된 결정하는 1 차원 개체의 앙상블에 대한 기대가에 대한 편광 의존성을 확인합니다.

라만 스펙트럼의 온도 의존성 13. 측정

  1. 제조 업체의 프로토콜에 따라 저온 유지 장치 컨트롤러에 새로운 샘플 온도를 설정합니다.
  2. 저온 유지 온도와 샘플의 이동을 관찰함으로써, 저온 유지 장치가 열 평형 상태임을 확인하고, 샘플 이동 계속하기 전에 없다.
  3. 함께 레이저 조명없이 저온 유지 장치의 샘플을 관찰하여 시료 위치의 온도 드리프트에 대한 정정하십시오.
  4. 레이저 파워 부 (10)의 단계에 따라 선형 정권에 있는지 확인하십시오.
  5. 이는 온도에 따라 이동하는 시료의 광 공진 용 공통 부 (10)에서와 같이 라만 단면의 레이저 에너지 의존성을 측정 O 비록온도가 비교적 천천히 변화 공명 에너지 ften.

샘플 위치 14. 선택

  1. 시료를 탑재 한 후, 예를 들면 모서리 샘플에 명백한 위치를 찾아 내고,도 10에 청색 점선으로 나타낸 바와 같이, 구성 요소에 추가하여 저온 유지 변환 스테이지의 위치에주의.
  2. 가장자리 중 하나를 따라 예 : 다른 명백한 위치로 이동하고 그 위치를 확인합니다.
    주 : 채워진 탄소 나노 튜브의 앙상블을 연구 할 때 샘플의 위치가 중요하다. 이 샘플은 불균일 할 것으로 예상된다. 샘플에 좋은 위치는 다음과 같은 특징을 갖는다.
  3. 당신의 위치에 안정적으로 복귀 할 수 있도록 마이크론 규모에 세부 현미경을 통해 볼 때 시각적으로 명확 위치를 찾을 수 있습니다.
  4. 샘플에서 라만 신호를 측정하고 몇 미크론의에 지역의 동질성을 확인하는 약간 XY 위치를 조정케일. 신호가 변화하면 크게 다른 지점을 선택합니다.
  5. 현장의 이미지를 캡처 및 샘플로 복귀 할 수 있도록 샘플 코너에서 상대 좌표를 확인합니다.

15. 사후 데이터 처리

  1. 데이터 처리 소프트웨어로 스펙트럼을 가져옵니다.
  2. mW의 당 초당 카운트를 얻기 위해, 레이저 파워 및 노출 시간에 대해 각 스펙트럼을 정규화한다.
  3. 분광계 효율에 대한 올바른.
    참고 : 다음 절차를 수행하지 않을 경우 일부 분석기 소프트웨어는 자동으로이 작업을 수행하지만. 단계 15.3.1-15.3.2 특정 분광계에 대해 한 번 수행하고 나중에 필요에 따라 사용할 수 있습니다.
    1. 샘플의 위치에서 보정 된 백색 광원을 놓고 분광계의 모든 표준 설정의 스펙트럼을 측정한다.
    2. 분광계의 처리량을 얻을 수있는 백색 광원에 대​​한 검량선과 백색광 스펙트럼을 나눈다. 처리량을 저장나중에 사용하기 위해 파일.
    3. 동일한 조건 하에서 스펙트럼의 처리량으로 측정 된 라만 스펙트럼을 나눈다.
  4. 적절한 데이터 처리 소프트웨어를 사용하여 라만 스펙트럼 플롯.
  5. 스펙트럼 동안 에너지의 레이저 점프의 증거 스펙트럼을 확인합니다. 이 넓은 피크 또는 스펙트럼의 피크의 두 배 위로를 생성합니다.
  6. 알려진 라만 기능, 예를 들면 실리콘 LO (수직 광) 포논을 확인하거나 동일한 양만큼 관련 스펙트럼의 특징 라만 모두의 이동에 갑작스러운 변화를 확인하여 라만 시프트 보정을 확인합니다.
  7. 라만 모든 기능에 대한 진폭, 중심 이동과 폭을 얻기 위해 표준 라인 모양과 비선형 커브 피팅 프로그램을 사용하여 기능을 장착한다.
  8. 필요에 따라 레이저 에너지 또는 온도 대에 맞는 매개 변수를 플롯.

Representative Results

HgTe로의 샘플에 대한 일련의 HRTEM 이미지와 시뮬레이션 대표 결과는 단일 벽 탄소 나노 튜브는 그림 1에 표시됩니다 @ 이미지를 그림 1A에 걸쳐 -. F, 저 차원, 제한 HgTe로 극단적 인 나노 와이어를 묘사, 누구의 미세 구조에 대응 ~ 1 nm의 직경과 심판 (14)에 기술 된 형태. 번들과 분리 된 튜브의 대표 이미지는 그림 1D에 제시되어있다. 프로토콜에 따라, 시험 모델이 생성되고 그림 1A, B, C. 이러한 이미지 시뮬레이션 간 상관 관계가 실제 실험 결과가 될 수있다 (그림 1D에 표시되어 다양한 기울기 각도 및 빔의 방향이의 대표적인 결과를 통해 시뮬레이션, F)과 볼 수있는 시뮬레이션과 좋은 경기를 할 수 있습니다.

이 논문에 기술 된 실험의 주요 목적이다도 2에 제시된 것과 같은 극단적 인 나노 와이어에서 라만 스펙트럼을 측정한다.도 2에 제시된 스펙트럼은도 1에 존재하는 나노 와이어와 같은 성장 배치 찍은 HgTe로 극단적 나노 와이어 샘플을 이용하여 측정 하였다. 샘플을 라만를 사용해 제조 된 방법은 섹션 (6)과 프로토콜의 7에서 설정합니다. 도 2에 제시된 스펙트럼은 대부분이 기진 진동의 오버톤 및 이들의 조합을 포함하는 나노 와이어 극단적 진동 기진 다중 포논 라만에 기인 할 수있는 피크들의 다수를 나타낸다. 기본 진동 모드, A (45cm -1), B (52cm -1), C (94cm-1) 및 D (115cm-1), 그들의 조합과 배음의 일부는 눈에 보이는 스펙트럼에 표시되어 있습니다 최소 6 번째 순서까지. HgTe로 라만 스펙트럼의 상세한 속성과 해석은 참조 (14)에 명시되어 있습니다. 이것강한 다중 포논 라만 반드시 모든 극한 나노 와이어 샘플의 특성 등 HgTe로 같은 II-IV 재료의 공통 특징이다 아닌 것을 알아야한다. 나노 와이어 외에 라만 스펙트럼도 하나의 카본 나노 튜브의 라만 기능을 포함 기능; 168cm -1 그 공진 1.67 eV의 에너지 (14)의 관찰 방사형 호흡 모드에 주로 기인는 충전 라만 기능 (도 4)의 공진 에너지 분명히 다르다. 호스트 튜브 라만 기능이 명확하게 충전에 사용되는 순수 나노 튜브의 라만 스펙트럼에서 식별 될 수있다. 여기 에너지의 더 넓은 범위로 충진 관의 공진 라만 조사이 데이터에서 식별 된 5 RBMS 초기 기여와 함께 보충 자료에 나타낸다.

도 2에 제시된 데이터는 강한 여기 레이저 에너지 의존성을 보여주는 I1D 시스템에서 공통이야. 이 에너지 의존성은 라만 세척 한 후, 시료에 남아 극단적 나노 와이어보다는 모재의 다른 형태, 또는 그의 열 분해 생성물에 기인 관찰 특징 주요 지표 중 하나이다. 또 다른 중요한 지표는 관찰 기능 137cm -1 광학 길이 (LO) 포논 모드에 의해 지배되는 벌크 HgTe로 (30)의 것과 상당히 다르다는 것이다. 이 3 nm의 아래로 직경 HgTe로의 나노 입자의 라만 스펙트럼 대량 LO의 포논 파생 된 진동 모드에 의해 지배되는 문헌에서 중요한 증거가 같은 2 나노 미터 아래로 치수 HgTe로 양자 우물의 사실이다. 특정 라만 기능 모재의 나노 와이어가 아닌 나노 입자 또는 덩어리와 연관되는 최종 주요 지표는도 3에 도시 것과 같은 특성의 편광 의존성이다. 참조 14t에서 자세히 설명 된 바와 같이그 랜덤 배향 (1D) 시스템의 앙상블에서 라만 산란 우선적 3 콘트라스트 비와 흥미로운 레이저 광과 동일한 방향으로 편광 : 1 따라서,도 3에 도시 된 최적의 결과로 존재 여덟 형상의 특성도를 나타낸다. 그 바람직한 방출 방향 인해 다른 메커니즘 편광 라만로서,도 3에 도시 된 바와 같이, 여기에 편광 회전 드물지 않다 시험하는 것이 중요하다. 이 콘트라스트 비를 3 이하 관찰 확실히 가능하다 :뿐만 아니라도 3에 도시 된 나노 와이어의 두꺼운 층 대 1이이 층 내에서 광의 산란에 기인 할 수있다.

잔여 충전으로 인해 채워지지 않은 튜브에 존재하지하지 가득 튜브 샘플의 라만 피크의 또 다른 가능한 설명은 작성 또는 잔류 물질하면 SWCNT 라만 스펙트럼의 수정에 이르게한다는 것이다. 기능에 대한금속 있었다 단일 벽 탄소 나노 튜브의 tance 샘플은 "스쿼시"진동 모드를 나타낼 그들에 증발. (31, 32)을하지만 우리가 반대 편광 의존성을 발견했을 HgTe로 채워진 샘플의 경우 (그림 3) 스쿼시 모드에 대한 관찰로. (31) 또한 기본 모드의 높은 고조파는 스쿼시 모드 스펙트럼에 대한 HgTe로 스펙트럼에서 관찰되지 않는다는 사실은 우리가 HgTe로 라만 기능에 대한 스쿼시 모드 설명을 배제 할 수 있습니다.

이 문서에서 규정 된 프로토콜을 사용하여 전체 공명 라만 실험에서 찍은 B 라만 기능의 강도의 여기 광자 에너지 의존성은도 4에 제시한다. 프로토콜이 완전히 개발되기 전에 또한 표시가 수행 된 실험으로부터 동일한 결과 . 프로토콜로는 소나에 한 점의 반복, 독립적 인 측정의 변화를 얻을 수 있습니다대략 8 %의 NCE 프로파일은도 5에 도시 된 바와 같이. 양질 스펙트럼을 얻기 위하여 조절 될 필요가있는 시스템의 배향의 주요 부분은 현미경 대물 렌즈에 레이저 빔의 정렬 된 후 상에 상기 빔을 포커싱 샘플. 빔 정렬의 중요성은도 6a, E에 도시된다. 제대로 의도적으로 잘못 정렬 빔과 두 개의 빔 스티어링 카메라 (C와 E) 및 차선의 스펙트럼 (도 6a, 녹색 ​​추적)에 정렬 된 빔이 라만 스펙트럼이 표시됩니다 그림 (도 6a, 블루 추적)에서. 상기 프레임 B의 각각의 수직 및 수평 중심점을 통해 라인은도 6의 E는도 6b 및도 6d 비교할 때 도시 된 바와 같이 작은 수평 드리프트 레이저 정렬있다 나타낸다. 6 녹색과 파란색 흔적을 비교A, 작은 오정렬은 CCD 타격 라만 신호의 현저한 변화 (> 50 % 감소)로 이어질 수 있다는 것을 알 수있다.

정확하게 샘플에 집중 목적을 위해 반사광 강도를 사용하는 것의 중요성 및 관련성도 7에 도시된다.이 도면은 라만 강도를 제공하고, 대물 샘플 사이의 거리의 함수로서 광 신호를 반사 . 피크 라만의 Z 위치 (대물와 샘플 사이의 거리)의 정밀도의 10 % 이내로하기 위해서는 전력 및 라만의 피크 위치 등의 사이의 거리보다 훨씬 크다 더 20㎛보다 될 필요 도 7에 제시 하였다.

프로토콜에서 설명하는 바와 같이 그 라만 스펙트럼의 레이저 여기 강도의 효과를 고려하고 있음을 촬영하는 것이 중요실험 공진 프로파일을 측정 할 때 라만 산란의 여진 강도에 비례하는 체제에. 프로토콜 부 (9)에 따라 측정 HgTe로 극단적 나노 와이어의 라만 산란 강도의 여진 강도 의존성을 나타내는 측정치는,도 8에 도시된다.도 8에 제시된 라만 강도가 초기 강도까지 여진 강도로 선형 증가 1.5 × 104의 포화하는 경향 신호에 비선형 거동을 보여주기 시작 전에. 다른 시료의 정확한 여진 강도 문제가 다르고 때문에 측정이 고려되어야한다. 도 8에서 라만 강도가 0.2 mW의 명확 / mm ~ 2보다 큰 여기 강도에 대한 비선형 체제 내에있다. 또한 충분히 낮은만큼 여기에 그 시연 낮은 여기 강도의 데이터에 대한 선형 피팅가 도시 전ntensities 라만 강도 여진 강도에 비례 (최대 ~ 0.1 mW의 / mm 2). 또한이 데이터는 특정 온도 (4 K)에서 특정 샘플링 위치에 대해 고유하고 다른 샘플 / 온도가 조사 될 때 실험 프로토콜 단계에 따라 반복되어야 반복하는 것이 중요하다. 엄지 일반적으로, 상기 선형 정권 최대 전력의 80 % 정도를 사용하는 것이 적합하다.

고품질 공명 에너지 의존 프로파일을 측정 한 후에는 이들 정보의 범위를 얻기 위해 분석 될 수있다. 라만 처리의 기초가되는 이론은 잘 이해와 시간 의존 섭동 이론 17 종종 파인먼 도형 21,33 방식을 사용하여 계산되며, 공진 프로필 심지어 절대적 강도를 예측하는데 사용될 수있다. 광 전환 이산 잘 에너지에서 분리되는 한도에서 이론은 라마 것으로 예상n은 하나의 포논 산란 강도가 하나 곱한 광학 전이 중심 로렌 시안 lineshape을 다음과 스톡스 산란 또는 반 스톡스 라만 산란 아래 하나의 포논 에너지에 대한 위의 하나의 포논 에너지를 중심으로. 포논 에너지를 공진 선폭에 비하여 작은 경우 HgTe로 나노 와이어의 경우와 같이,이 lineshape 제곱 로렌 시안을 갖는 공진에 이어질 것이다. 그러나 시스템 (1D)에서의 광 스펙트럼의 기능 상태의 연속체로 구성된 반 호브 특이성과 관련 될 가능성이 높다. 또한, 상기 전이 확대 샘플 내 불균일 될 가능성이있다. 이들 중 하나 또는 두 가지 모두에 해당하는 경우 광 전환에 대한 국가의 밀도가 변경되고 lineshape을 지배 할 수 있습니다. 라만 산란 다른 산란 시퀀스 및 다른 중간 상태를 포함하는 코히 런트 처리 등 간섭 효과 때문에 상황은 더 복잡 이루어진다S는 공진 프로파일 (34)을 변경한다. 같은 이유로, 중간 상태들 사이에서 간섭 수명 어떠한 변화도 lineshape (35)에 영향을 미칠 수있다. 결함이 특히 높은 순서 라만 산란 이중 공명 효과에서 탄성 산란의 참여의 가능성은 더욱 상황 21,35을 복잡하게한다. 사전이 예상 공진 라만 프로파일을 예측하기 때문에 종종 불가능하다. 그러나 공명 라만 산란 광 스펙트럼에서 기능의 에너지 상태의 그 기능과 성격과 전자 - 포논 상호 작용 (17)의 양적 강도에 대한 책임의 성격 등 다양한 재료 시스템에 대한 많은 정보를 추출하는 데 사용되었다. 더 공명 내의 광학 특성의 에너지 및 에너지 폭을 정량화하기 위해 프로파일에서는이를 표준 lineshapes 광 중 하나를 사용하는 것이 적합 유용하다. 에서우리는 로렌 시안을 시도 HgTe로 나노 와이어의 경우, 로렌 시안은 제곱 가우스 lineshapes (그림 4) 가장 적합한 것으로 가우스 lineshapes를 발견했다. 명확하게하기 위해이 공진을 일으키는 광학 기능의 확장의 특성의 관점에서 해석 할 수없는 현상 착용감과 가우스 lineshape의 사용이다. 이러한 끼워에서 우리는 1.76 eV의 일하는 공진에 대해 책임 광학 특성의 에너지를 결정할 수있다. HgTe로 극단적 나노 와이어의 공진 동작에 대한 더 상세한 분석을 별도로 번역한다.

라만 스펙트럼의 온도 의존성을 측정하여 추가 물리 프로빙 할 수있다. 특히 포논의 수명에 팽창 근본적인 한계 격자 선도 진동 피크의 폭이 부조화 효과 허용 진동 에너지와의 변화를 조사한다. Resonan의 측정온도의 함수로서 세륨 광 에너지 프로파일의 온도 의존성을 결정하는 것을 허용 할 것이다. 가능한 온도와 관련된 효과를 나타내는 일부 대표적인 결과가도 9에 제시되어있다. 이것은도 9로부터 알 수 (ab) 온도가 증가함에 따라 스펙트럼 폭이 넓어 및 모드의 중심 이동은 이론적으로 인 - 라인 인, 연화 것을 예측. 가장 두드러진 온도의 함수로서 B 모드 강도의 급격한 이탈 나타내는 윈도우 C이다. 별도의 간행물에서 더 자세히 논의 될 것이다 이러한 효과는 온도가 증가 공진에 대한 책임이있는 광학 상태의 코히 런트 수명의 감소에 주로 기인하고 라만 산란 가능성을 넘어 멀리 정보를 제공 할 수 있다는 명백한 증거는 흡수 측정과 함께.

위치를도 5에 도시 된 바와 같이 더 이상 8 %의 라만 피크의 세기의 재현성을 달성 할 수있다.

그림 1
그림 1 :. 시뮬레이션 결과와 비교하여 극단적 인 나노 와이어의 HRTEM 구조 모델, HRTEM 시뮬레이션 프로토콜 ~ 1.4 nm의 직경 단일 벽 탄소 나노 튜브에 삽입 ~ 1 nm 두께의 HgTe로 나노 와이어의 실험 이미지. (A)의 일반적인 절개 모델 (a) A (10,10) SWNT에 포함 HgTe로 3 nm의 긴 조각입니다. 전자빔 방향 (B)는 HgTe로의 @ (10, 10) SWNT 복합체 (C, LH 시뮬레이션) 및 틸트 (D, RH 시뮬레이션)의 방향 일련의 서로 다른 전망을 나타냅니다. HRTEM 이미지 (예, 오른쪽 위가) 내지 (d 상단 왼쪽 및 오른쪽) 테이블 (c)에 대해 일치와 실험 이미지와 일치 할 수있다. 사용되는 얇은 SWNT 번들 (E)에서 얻은 HRTEM 이미지, ~ 1 nm의 HgTe로 나노 와이어 (I, IIIII) 내장과 극적 장면에서 시뮬레이션으로 (즉, 세트 나 ', II'를, 그리고 III ')를 상관 관계를 관찰하기. 일부 조각이 기울어 져 (F, 왼쪽) f를 오른쪽으로 장면 전환 모델에 해당 시뮬레이션 (F, 중간)에 의해 모델링 각도 t에 의해.F = "https://www.jove.com/files/ftp_upload/53434/53434fig1large.jpg"대상 = "_ 빈">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2
그림 2 : 극단적 인 수은 텔 라이드의 라만 스펙트럼은 나노 튜브에 포함 HgTe로 극단적 인 나노 와이어의 대표 라만 스펙트럼을 여러 여기 광자 에너지에 4 K에서 획득 한 단일 벽 탄소 나노 튜브에.. 다양한 흔적은 1.78, 1.77, 1.75 및 각각 파란색, 녹색, 빨간색, 보라색 라인 1.71 eV로의 에너지의 여기에 해당합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3
그림 3 : 분석기 중앙의 함수로 B 피크의 장착 강도 제작. 폴라 1.77 eV의에서 B 피크의 장착 강도의 플롯 및 수직 (파란색)에서 분석기 각도의 함수로 4 K 및 수평 (녹색) 입사 편광. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 4
도 4 : 공명 효과는 단일 벽 탄소 나노 튜브 @ HgTe로의 B 모드에서 관찰 B 공진 프로파일 (52cm -1) 모드 모두 (a)에 설명 된 프로토콜에 부착되는 케이스와 케이스 (b 레이저 파장의 함수로서. 프로토콜이 개발되기 전에) 촬영. 가우스 라인 폭은 각각 a와 b에 대한 1.77 ± 1 meV 인 및 1.74 ± 3 meV 인을 중심으로하고 있습니다. 오류는 피팅 루틴의 95 % 신뢰 구간에 의해 결정 하였다.파일 / ftp_upload / 53434 / 53434fig4large.jpg "대상 ="_ 빈 ">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 5
도 5 : RRS 실험에 걸쳐 702 nm의 입사 파장에서 라만 스펙트럼의 독립적 인 반복 실험 내내 동일한 조건에서 촬영 된 라만 스펙트럼 시리즈.. 스펙트럼은 공명 라만 실험 기간 동안 4 K에서 702 nm의 레이저 라인으로 측정 된 A와 B 모드를 보여줍니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 6
그림 6 :. 시스템이 최적화 의도적으로 디 튜닝 할 때 사용하는 단일 벽 탄소 나노 튜브 @ HgTe로의 라만 스펙트럼 라만 스펙트럼 획득 한t 룸 시스템이 잘 정렬 온도 (블루 추적)과 의도적으로 잘못 정렬 (녹색 트레이스). 프레임 (B, D) 카메라 (C1)에 레이저 스폿을 보여 카메라 (C2)에 레이저 이미지 및 (c, e)를 보여줍니다. 고의적 잘못 정렬 된 스펙트럼 D와 E를 통해 표시됩니다 동안 잘 정렬 된 스펙트럼은 b와 c의 이미지에 해당합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 7
그림 7 :. 반사 전력 및 샘플 초점 위치의 함수로서시 피크의 대응 라만 피크 강도 정규화의 플롯은 파워 미터 (PM2)과 라만 INT의 정규화 된 강도 측정 전원 (빨간색)을 반영샘플과 목적 사이의 거리의 함수로 ensity (파란색). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 8
도 8 : 여진 강도의 함수로 피팅 로렌츠 정량 4 K 및 702 nm에서의 B 라만 모드의 세기의 플롯 맞는 결정을인가 입사 전력의 함수로서 B 모드의 장착 강도. 선형 정권은. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 9
그림 9 : 고정에서 단일 벽 탄소 나노 튜브 @ HgTe로에서 B 모드의 온도 의존성(1.77 EV) 여기 에너지. 온도의 함수로서 일정한 여기 에너지 (1.77 EV)에서 얻은 라만 스펙트럼. 윈도우 AC는 각각 B 모드의 스펙트럼 폭, 중심 편이 끼워 맞춤 강도를 나타낸다. 도시 오차 막대는 피팅 루틴에서 95 %의 신뢰 구간입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 10
그림 10 :.. 공명 라만 분광학 실험에 사용되는 광 설치의 도식 표시 프로토콜에서 논의 된 모든 실험에 사용되는 광 설치 그림 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Discussion

연구의 거대한 양의 나노 와이어에 완료되었습니다 동안 가장 작은 직경의 근본적인 제한이 가능, 극단적 인 나노 와이어를 나노 와이어, 거의 탐구 없습니다. 예들은 자신의 모재의 완전히 새로운 결정형을 나타낼 수 있으며, 이미 이러한 나노 와이어의 특성도 약간 큰 직경의 나노 와이어와 연속체를 형성하지 않는 것이 밝혀졌다. 각 부모 가능한 모재의 그 다수를 고려하면 물리 거대 많은 이상의 극단적 인 나노 와이어를 수 나노 와이어의 폭을 생산할 수있다.

이들의 제조 방법은 잘 확립되어 있지 않으므로 극단적 나노 와이어 연구가 여전히 초기 단계에 있다는 사실은 아니다. 이 논문에 제시된 용융 침투 과정은 신뢰성과 용융 침투가 특정 작성을위한 최적이 아닌 경우 사용할 수있는 여러 그룹 및 승화 작성 등의 다른 방법으로 사용되어왔다. 부분에서필드 비파괴 극단적 나노 와이어의 특성을 비교적 간단하고 광범위하게 적용 가능한 방법의 부족에 의해 다시 유지된다. 카본 나노 튜브의 필드는 임의의 가이드 인 경우, 라만 분광법이 문제를 해결하기위한 선택의 방법이라는 좋은 기회를 가진다. 극단적 나노 유용한 라만 스펙트럼을 얻기위한 키가 라만 산란의 다른 1D 공진 시스템 강화와 공통 것을 인식하는 것은 임의의 산란을 관찰하기위한 필요 조건이다. 특정 샘플 형태의 전체의 공진 동작이 측정을 빠르게 할 시료의 특성에 라만 대부분의 애플리케이션에 고정 공진 여기 에너지를 사용하여 비용을 절감 할 수있다,이 프로토콜에서 제시된 방법을 사용하여 결정되면 라만 시스템 요구.

이 논문에 제시된 결과에 나타낸 바와 같이 극단적 인 나노 와이어에 높은 품질의 공명 라만 결과를 얻는 중요한 문제입니다재현 고정밀 며칠 동안 가변 레이저의 빔을 다시 정렬 할 필요가있다. 이 실험에서 가장 중요한 세부 실험 시스템 및 관심 특히 수정을 요구; 정확한 광학 시스템의 초점 현미경 대물 시료 중 횡 이동을 정확하게 교정 할 수있는 능력 상에 레이저 빔의 정확한 정렬. 기술은이 양식이 논문의 기초를 달성하기 위해 개발했다. 기타 벌크 및 양자 우물 시스템 광범위한 기술을 적용한 예로서 M. 카르 도나 선구자 포함 공진 라만 실험의 재현성을 개선하기위한 방법 및 시스템을 개발 하였다. 우리의 기술은 M. Dresselhaus (21)를 포함하는 탄소 나노 튜브의 라만의 개척자의 일에 작성합니다. 그러나 여기에 제시된 프로토콜은 극단적 나노 와이어 공명 라만 실험에 특히 적합하다.

의 S의 핵심프로토콜 uccess는도 10에 도시 된 실험 시스템의 개발이었다. 도면은 프로토콜에 설명 된 라만 실험에서 사용한 광 셋업의 평면도를 보여준다. 레이저 광은 프로토콜에 따라 그라 이오 스탯에 밀봉 된 샘플시 50X 목표 (라벨 OB)를 통해 초점을 맞추고 있습니다. 이 저온 유지 장치는 재배치 및 포커싱을 위해 샘플의 3 차원 적 움직임을 허용하는 XYZ 스테이지 상에 장착된다. 레이저 광이 A 및 B (a 펌프 소스 및 Ti 인 : 각각 사파이어)를 통해 생성되고, 레이저의 정확한 세부 사항은 제공되는 재료 문헌에 언급되어있다. 상업적인 레이저 라인 필터를 사용하는 경우 (성분 C)의 레이저 광은 조리개 (1) 및 (2) 시준 렌즈를 사용하여도 1 및 2 (L1 및 L2)의 중앙을 통해 지향된다. 광은 프로토콜에 설명 된대로, 1/2 파장 판 및 편광판 (HWP1 및 POL1) PM2에 편광 레이저 파워 입사면을 제어하기 위해 통과한다. 레이저 빛이 통과가변 필터, C, 및 거울 M1 및 M2를 사용을 통해, 그것은 대물 (OB)의 배면에 수직 및 카메라 C1 및 C2를 중심으로되도록 정확한 광로 상 스티어링. ND 필터는 집중 절차 (단계 9.9)을 수행 할 수 있도록, 전력 미터, PM1 상 대물로부터 다시 반사 된 빔을 위치시키기 위해 사용된다. 샘플로부터 위로 산란광 수집 및 분석 장치에 3 렌즈 (L3) 및 슬릿 (1)를 통해 전달된다. 렌즈의 슬릿 폭과 위치를 조정하면, 레이저 파장, 레이저 선 벗어나면 프로토콜 8 항에 설명 된대로, 라만 신호를 최대화하는 것이 중요하다 필터링 동작 범위, 볼륨 브래그 설치 섹션 8.2에 따라 이용해야 .1-8.2.3. 이 광학 셋업은도 10에 따라, 검은 색 점선에 따라 변경되고, 미러 M3 경로에서 제거하는 것이 중요하다. 편광 의존하는 실험에 착수하면 마지막으로, 그것은 중요하다편광을 제어하고 분광계 입력 편광 유지, 이것은도 10에서 보라색 점선으로 강조 셋업에 추가 될 프로토콜과 구성 요소 (12)에 대해서 설명한다. 청색은도 10에 점선은 구성 요소를 지시 프로토콜 부 (14)로 나타낸 바와 같이, 시료의 라이브 영상을 허용했다.

모든 실험 방법과 마찬가지로 공명 라만 산란는 한계가있다. 특히, 가능한 파장 가변 레이저 소스 및 검출기는 적외선 내로 연장하지만 상기 스펙트럼 범위에서 수행 할 350-1,000 나노 훨씬 용이하고 UV 가능하다는 것을 의미한다. 조정 가능한 소스와 라만 산란을 수행하는 데 필요한 실험 시스템은 합리적인 추정이 발행 당시 £ 200-300k되는 저렴한 없습니다. 또한 필요한 시스템의 복잡성은 광에 익숙를 필요로한다는 것을 의미분광법은 성공적으로 작동합니다. 그러나 라만 산란은 다른 기술로 수득하기 어려운 정보의 조합을 제공한다. 놀랍게도 아직 임의의 다른 기술에 의해 달성 될 수있는 개별 단일 벽 탄소 나노 튜브의 라만 산란, 따라서 진동 에너지를 얻을 수있다.

이제 나노 와이어의 공명이 라만 산란의 가능한 정보의 범위를 열어 결정하기 시작하고있다. 우리의 의견 확장자는 전기 화학적으로 이들 물질을 이해하는데 중요한 것이다 전하 밀도의 넓은 범위의 나노 와이어에 대한 측정을 허용 4 36 K까지 온도가 극단적 나노 와이어 (20)를 게이트한다. 마지막으로 더욱 제조 할 수있는 샘플의 품질을 최적화시킬 수있는 극단적 인 나노 와이어의 구조 및 용융 전이를 이해하는 라만 산란을 이용하여.

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

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References

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