Комбинационное рассеяние света в одностенных углеродных нанотрубках

• Автор: Терехов, Сергей Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.21
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 133 с. : ил

Содержание
Введение

Глава 1. Обзор литературы

1.1. Нанотрубки - одна из форм углерода

1.2. Особенности электронной структуры углеродных нанотрубок

1.2.1. Плотность одноэлектронных состояний для двумерного графитового листа

1.2.2. Плотность одноэлектронных состояний для одностенной нанотрубки

1.3. Резонансное комбинационное рассеяние света в полупроводниках

1.4. Возможности резонансной КР диагностики одностенных

углеродных нанотрубок

1.4.1. Зависимость формы спектра КР от диаметра нанотрубки
1.4.2. Резонансный характер КР в нанотрубках
1.4.3. Влияние типа проводимости нанотрубки на форму спектра КР
1.4.4. Спектр КР одиночных нанотрубок и определение хиральности
1.4.5. Проявление дефектности нанотрубок в спектре КР
1.4.6. Характеризация пучков нанотрубок и учет взаимодействия Ван-дер-Ваальса
1.4.7. КР в углеродных стручках -нанотрубках, заполненных молекулами С60
1.4.8. КР в нанотрубках при термическом или механическом воздействии
Глава 2. Описание экспериментальных методик и материалов
2.1. Техника спектроскопии комбинационного рассеяния света
2.2. Развитие собственной экспериментальной базы для синтеза углеродных
нанотрубок
2.2.1. Метод дугового разряда
2.2.2. Формирование пленок из нанотрубок методом жидкостного электрофореза
2.2.3. Метод каталитического пиролиза углеводородов
2.3. Описание методов синтеза заимствованных нанотрубочных материалов
2.3.1. Метод лазерной абляции
2.3.2. Метод разложения СО при высоком давлении
Глава 3. Комбинационное рассеяние света на этапе синтеза нанотрубок
и плёнок на их основе
3.1. Обнаружение нанотрубок в сажах, синтезированных новыми методами
3.2. Оценка геометрических параметров одностенных углеродных нанотрубок
3.3. Основанная на КР оптимизация дугового синтеза
одностенных углеродных нанотрубок
3.3.1. Влияние давления рабочего газа на структуру синтезируемого материала
3.3.2. Роль катализатора в процессе синтеза
3.3.3. Механизм роста углеродных нанотрубок
3.4. КР диагностика пленок из ОУН, используемых в качестве
катодов для низкополевых электронных эмиттеров
Глава 4. Резонансные особенности комбинационного рассеяния света
в одностенных углеродных нанотрубках
4.1. Резонансные эффекты при варьировании энергии лазерного возбуждения
4.1.1. Резонансные изменения контура «дыхательных» мод КР
при варьировании энергии возбуждающего излучения

4.1.2. Резонансные изменения формы тангенциальной моды КР в металлических нанотрубках при варьировании энергии
возбуждающего излучения
4.2. Асимметрия резонансного возбуждения стоксовой и антистоксовой компонент сигнала КР в одностенных углеродных нанотрубках
4.2.1. Аномальное поведение антистоксовой компоненты «дыхательной» моды КР
в одностенных углеродных нанотрубках
4.2.2. Определение геометрической конфигурации (л,т) одностенных
углеродных нанотрубок, основанное на данных резонансного
4.3. Термо-индуцированные эффекты в спектрах КР в одностенных углеродных нанотрубках
4.3.1. Трансформация спектра КР ОУН при увеличении плотности мощности зондирующего лазерного излучения
4.3.2. Частотное положение тангенциальной моды -индикатор температуры
в спектрах КР одностенных углеродных наногрубок
4.3.3. Термоиндуцированное резонансное возбуждение «дыхательных» мод КР
для нанотрубок, синтезированных методом лазерной абляции
4.3.4. Наблюдение термоиндуцированных резонансов в спектрах КР нанотрубок, синтезированных дуговым методом
Г лава 5. Количественная диагностика содержания одностенных углеродных нанотрубок в различных сажах. основанная
на методе комбинационного рассеяния света
5.1. Зависимость частоты тангенциальной моды КР ОУН от плотности мощности зондирующего лазерного излучения - основа
количественной диагностики нанотрубочной фракции
5.2. Влияние содержания нанотрубок на теплопроводность нанотрубочных саж
5.3. Экспериментальная проверка основанного на КР метода оценки содержания нанотрубок в сажах
5.3.1. Образцы, отобранные с последовательных стадий химической очистки
материала, синтезированного дуговым методом
5.3.2. Модельный эксперимент с образцами, содержащими калиброванные
концентрации нанотрубок
Основные результаты
Литература

Введение
Комбинационное рассеяние света (КР) широко используется как один из наиболее информативных методов диагностики различных форм углерода. Алмаз, графит, карбин, фуллерены в виде монокристаллов, поликристаллических пленок, порошков могут быть идентифицированы с помощью этого метода [1]. Благодаря эффекту пространственной локализации фононов в наноструктурированных углеродных материалах из спектров КР могут быть оценены характерные размеры фрагментов.
Новым представителем семейства наноматериалов [85] являются углеродные нанотрубки. Каждая трубка представляет собой цилиндрическую поверхность, образованную полосой идеальной графитовой плоскости, “склеенной” в соответствии с правилами симметрии. Единичная цилиндрическая структура называется одностенной нанотрубкой. В случае, когда несколько цилиндрических структур расположены коаксиально, говорят о многостенных нанотрубках. Диаметр ОУН, синтезированных разными способами варьируется в диапазоне 0.6-2 нм [2-3]. Стабильной формой их существования являются пучки, включающие по 15-100 нанотрубок близкого диаметра. Одностенные углеродные нанотрубки, благодаря своим наноразмерам, обладают уникальными физическими свойствами, интересными как для фундаментальных исследований (электронная структура, транспортные свойства), так и для практического применения (нанопровода, элементы наноэлектроники, холодные катоды низко-полевой электронной эмиссии, накопление газов, в частности водорода).
Спектры КР нанотрубок были зарегистрированы уже для первых образцов синтезированного материала. Однако, оказалось, что спектр многостенных нанотрубок не обладает характерными особенностями, позволяющими их однозначно идентифицировать. Такой же спектр могут демонстрировать материалы, содержащие неупорядоченную фазу графита. Уникальным спектром обладали лишь односгенные нанотрубки. Основными особенностями этого спектра являлось расщепление тангенциальной моды вследствие наличия циркулярной периодичности [4], появление радиальных «дыхательных» мод в акустической области спектра с частотами, зависящими от диаметра нанотрубок, и высокая интенсивность сигнала КР, обусловленная резонансным характером рассеяния [5].
Развитие методов синтеза ОУН (дуговой разряд, лазерная абляция, каталитическое разложение углеводородов, разложение СО при высоком давлении) потребовало применения новых методов диагностики. Оказалось, что КР позволяет однозначно определять присутствие нанотрубок в образцах и оценивать их диаметр [5]. Эти исследования не теряют своей актуальности до сих пор, в связи с выдвижением новых оригинальных методов

нанотрубок при объединении их в пучок. Таким образом, при возбуждении одним и тем же лазером резонансные условия выполняются для разных значений диаметров нанотрубок, входящих в пучок и существующих индивидуально.
Среди работ других авторов можно выделить работы группы Проф. Кузмани из Венского Университета [26], посвященные определению среднего диаметра нанотрубок в пучке, распределению диаметров в пучке, и связанному с этим определению диаметра пучка наногрубок при учете Ван-дер- Ваальсова взаимодействия. Все эти параметры могут быть оценены из одного КР эксперимента. Метод основан на использовании большого числа возбуждающих лазерных линий.
100 150 200 250 300
Сдвиг КР, см-
Рис.23. Спектры КР пучков нанотрубок, полученных методом дугового разряда и растворенных в СУ. Длина волны возбуждения -1064 нм. Пики, помеченные *, отвечают СУ- Спектры нормированы на интенсивность тангенциальной моды.
На левой и правой вставках, соответственно, приведено разложение на составляющие радиальной и тангенциальной мод нанотрубок в пучке и нанотрубок, растворенных в СУ-Вертикальная и горизонтальная оси вставок отвечают интенсивности и сдвигу КР, соответственно. Цифрами показаны положения линий спектра. В скобках указана полная ширина линии КР (на полувысоте) [25].