Оптические свойства однослойных УНТ определяются их уникальными электроннымисвойствами. Слой графена имеет 2D-размерность, а образованная из него нанотрубка является уже одномерной структурой, т.е. имеет 1D-размерность. Строение энергетических зон таких одномерных материалов имеет особенности, называемые особенностями (сингулярностями) Ван-Хова. Суть их состоит в том, что вследствие пространственных ограничений, накладываемых на волновую функцию в радиальном направлении, плотность энергетических состояний нанотрубки вблизи уровня Ферми вырождается из сплошного спектра в набор пиков, зеркально расположенными относительно данного уровня. Оптическое возбуждение может вызвать электронные переходы между этими энергетическими уровнями, что приведет к появлению максимумов в спектре оптического поглощения. Энергетическое положение максимумов
плотности электронных состояний (особенностей Ван-Хова) зависит от диаметра и хиральности УНТ, а такие характеристики максимумов, как амплитуда, полуширина и уровень базовой линии, характеризуют количест-
|
|
венное содержание в исследованном образце нанотрубок с конкретными свойствами и других углеродных примесей. Поэтому обработка оптических спектров поглощения в УФ-Вид-ближнем ИК-диапазоне спектра по спе-
циальному алгоритму позволяет определятькак количественное содержание нанотрубок в образце, так и характеристики этих нанотрубок. Оптическая абсорбционная спектроскопия является высокочувствительным и универсальным методом исследования углеродных наноматериалов, т.к. позволяет изучать их свойства как в твердотельном состоянии, так и в растворах.
Рис.3. Схематическое изображение плотности электронных состояний в металлических и полупроводниковых однослойных УНТ.
На рис. 3 схематически показана плотность электронных состояний для металлических и полупроводниковых однослойных УНТ. Такие схемы наглядно демонстрируют особенности Ван-Хова в этих нанотрубках
и дают возможность на основе теоретических расчетов интерпретировать оптические спектры.
Каждая пара пиков соответствует электронным переходам в УНТ с определенными индексами хиральности. В исследуемых образцах, как правило, имеются нанотрубки различной хиральности и длины, поэтому та-
кие переходы образуют характерные полосы поглощения. На энергетической шкале при увеличении энергии фотонов они располагаются в такой последовательности: S11, S22,M11, S33, S44, M22 и т.д.
Буквами S и M обозначаются переходы, соответственно, в полупроводниковых и металлических нанотрубках, а цифрами обозначены номера зон (пиков сингулярности), между которыми осуществляется переход.
|
|
Рис. 4. Спектр оптического поглощения очищенных однослойных УНТ.
Рис. 5. Графики Катауры.
На реальных спектрах четко разрешаются первые три полосы (см.рис. 14), а идентификация последующих полос требует специальной обработки спектров, т.к. они накладываются на полосы поглощения π-плазмонов, которые представляют собой коллективные продольные колебания π-электронов атомов углерода.
На реальном спектре, приведенном на (рис. 4), четко видны характеристические полосы поглощения УНТ для S11, S22 и M11 переходов, наложенные на т.н. базовый уровень, который обуславливается поглощением на примесях, плазмонах и др.
Интерпретацию спектров и идентификацию по ним свойств исследованных нанотрубок удобно выполнять с использованием графиков Катауры. Они представляют собой зависимость энергии переходов различного порядка от диаметра УНТ с различными индексами (n, m) хиральности. Подробнее о данном методе – см. список Литературы.
4. Порядок выполнения работы
Для исследования полученных пленок с помощью метода оптического поглощения, либо ИК-спектроскопии необходимо перенести сетки из УНТ на специальные подложки. Таковыми могут быть рамки либо металлические держатели.
1. Осторожно положить фильтр с образцом на ровную поверхность.
2. Установить на фильтр рамку или держать.
3. Прижать и подержать несколько десятков секунд.
4. Осторожно поднять держатель и аккуратно при помощи пинцета удалить фильтр.
5. Убрать полученный образец в емкость для хранения.
Дальнейшие действия по исследованию полученных образцов находится в соот-их руководствах пользователя к исследовательскому оборудованию, см. Приложение 1, Приложение 2
Полученные спектры необходимо обработать – провести нормировку, перевести нм в обратные сантиметры. Анализ полученных результатов выносится на защиту лабораторной работы.
5. Контрольные вопросы
1. В чем заключается суть метода ИК-спектроскопияв исследовании структуры углеродных наноматериалов.
2. В чем заключается суть метода оптического поглощения в исследовании структуры углеродных наноматериалов.
Список литературы
1. Елисеев А.А., Лукашин А.В. Функциональные наноматериалы. / Под ред. Ю.Д. Третьякова. – М.: ФИЗМАТЛИТ. 2010. - 452 с.
2. Евдокимов А.А. и др. (под ред. А.С. Сигалова) Получение и исследование нано-структур: лабораторный практикум по нанотехнологиям – / М: БИНОМ Лаборатория знаний, 2010. – 146 с.
3. Суздалев И.П. Нанотехнологии: Физико-химия нанокластеров, нано-структур и наноматериалов. – Эдиториал УРСС. 2006.