Структура и динамика решетки индивидуальных одномерных углеродных наносистем

• Автор: Левшов, Дмитрий Игоревич
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Ростов-на-Дону
• Количество страниц: 131 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение
1 Структура, свойства и спектроскопия комбинационного рассеяния света углеродных нанотрубок (литературный обзор)

1.1 Атомная структура и свойства одностенных нанотрубок

1.2 Спектроскопия КРС одностенных нанотрубок

1.3 Атомная структура и свойства двустенных нанотрубок

1.4 Спектроскопия КРС двустенных нанотрубок

2 Синтез и структурный анализ индивидуальных углеродных нанотрубок

2.1 Синтез сверхдлинных индивидуальных углеродных нанотрубок

2.2 Локализация синтезированных индивидуальных нанотрубок

2.3 Определение структуры индивидуальных углеродных нанотрубок

3 Колебательные свойства индивидуальных одностенных нанотрубок
3.1 Различие эмпирических и теоретических выражений для частоты радиальной дыхательной моды
3.2 Влияние внешнего давления на частоту радиальной моды
3.3 Влияние эффектов окружения на частоту радиальной моды
4Динамика решетки индивидуальных двустенных углеродных нанотрубок
4.1 Влияние ван-дер-ваальсова взаимодействия на радиальные моды двустенных нанотрубок
4.2 Влияние ван-дер-ваальсова взаимодействия на тангенциальные моды двустенных нанотрубок
Заключение
Список цитируемой литературы
Список основных публикаций автора
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Углеродные нанотрубки (УНТ) являются новыми перспективными объектами современной физики конденсированного состояния. Их уникальные механические, оптические и тепловые свойства определяют разнообразные сферы применения, например, в области наноэлектроники, фотоники и медицины.
При создании прикладных устройств на основе нанотрубок необходимо учитывать некоторые их особенности. Во-первых, УНТ состоят всего из нескольких слоев атомов углерода и, следовательно, сверхчувствительны к взаимодействиям различного рода, так называемым «эффектам окружения». Изучение эффектов окружения требует особого подхода, основанного на работе с индивидуальными нанотрубками, при котором можно строго контролировать условия измерений и однозначно определять степень влияния внешних воздействий на фундаментальные свойства углеродных нанотрубок. Во-вторых, использование нанотрубок в функциональных устройствах затруднено отсутствием методов их контролируемого синтеза. Синтез существующими методами приводит к довольно широкому распределению нанотрубок по диаметрам, количеству слоев, углам хиральности и типу проводимости.
Невозможность синтезировать нанотрубки со стабильными заданными параметрами придает важное значение разработке и развитию новых методов определения структурных параметров и физических свойств УНТ. Среди таких методов, наряду с электрон-дифракционными, наиболее эффективным является метод спектроскопии комбинационного рассеяния света (КРС) [1-2], который позволяет определять особенности атомной и электронной структуры и динамики решетки индивидуальных УНТ, в большой степени обуславливающие их физические свойства.
Таким образом, тема диссертации, которая посвящена решению важной задачи физики конденсированных наносистем - синтезу индивидуальных

одномерных углеродных нанотрубок, экспериментальному и теоретическому определению их структуры и особенностей динамики решетки с использованием методов спектроскопии КРС, является актуальной и своевременной.
Цель работы: определить колебательные и оптические свойства синтезированных индивидуальных одностенных и многостенных углеродных нанотрубок и выявить влияние на них эффектов окружения.
Для достижения цели решались следующие основные задачи:
• Синтез индивидуальных одно- и многостенных углеродных нанотрубок, изолированных от внешнего воздействия, методом каталитического пиролиза углеводородов.
• Определение атомной структуры синтезированных нанотрубок методами электронной дифракции и электронной микроскопии высокого разрешения.
• Определение собственных оптических и колебательных свойств множества индивидуальных изолированных структурно идентифицированных нанотрубок методом спектроскопии резонансного КРС в широком диапазоне длин волн лазерного возбуждения.
• Определение влияния эффектов окружения на собственные свойства индивидуальных УНТ.
• Выявление особенностей спектров КРС многостенных углеродных нанотрубок, в сравнении с одностенными, и формулировка критериев определения атомной структуры многостенных УНТ на основе данных спектроскопии КРС.
Научная новизна. В результате исследований впервые:
• применен метод КРС в комбинации с электронной дифракцией и микроскопией высокого разрешения для определения оптических и колебательных свойств индивидуальных многостенных УНТ;
• измерены спектры комбинационного рассеяния света индивидуальных

при различных значениях температуры и концентрации газов, но при некоторых параметрах достигается наибольший выход.
Than Т. [72] показал, что использованные им экспериментальные протоколы синтеза позволяют получать сверхдлинные нанотрубки (до 5 см), способные в процессе роста преодолевать траншеи (шириной в миллиметры) и барьеры (высотой 500 мкм). Другими словами, применение описанных в диссертации Than Т. методов синтеза делает возможным рост индивидуальных нанотрубок на подложках различной топологии и конфигурации. В нашей работе мы чаще всего использовали подложки для трансмиссионной микроскопии (перфорированные мембраны, рис. 2.1, а и б). В образцах такого типа получаемые УНТ занимают несколько отверстий (рис. 2.1, б). Типичный размер отверстий составляет 3 мкм, и в одном отверстии часто располагается только одна нанотрубка. На рисунок 2.1, в показано ТЭМ изображение одной из УНТ на краю отверстия.
Наконец, существует возможность использовать и другие типы подложек, например имеющих длинные сквозные щели (шириной в несколько десятков мкм), полученных стандартными методами литографии или ионного травления. Эти подложки, в частности, очень удобны для КРС картирования (см. ниже), но в наших исследованиях они не использовались активно, так как мы столкнулись с трудностями при проведении электронной дифракции на образцах такого типа.
В рамках диссертационной работы мы провели исследования методом электронной микроскопии высокого разрешения большого количества образцов УНТ, синтезированных совместно с Than Т. Было обнаружено, что протоколы синтеза могут давать одно- и многостенные углеродные нанотрубки, иногда организованные в пучки.
В качестве примера, на рисунке 2.2 показаны изображения различных типов УНТ, изученных в данной работе, а именно: средние и сверх большие ОУНТ, средние и сверх большие ДУНТ, пучки ОУНТ и трехстенные УНТ.