Nanocsövek állapotsűrűségének kísérleti vizsgálata

Veres Miklós

MTA SZFKI

2005.01.10.

A nanocsövek sávszerkezete

grafitsík diszperziója

Állapotsűrűség

A nanocső tengelyére merőlegesena hullámvektor kvantált

Állapotsűrűség félvezető fémes

(n1,n2) n1-n2 ≠3i n1-n2 = 3i

Állapotsűrűség a Fermi nívón

n(EF) = 0 n(EF) ≠0

VHS távolsága a Fermi nívótól

1-2-4 1-2-3

VHS gap Eg = 2γ0a0/d Eg = 6γ0a0/d

VHS gap értéke

0,5 – 0,6 eV 1,6 - 1,9 eV

(VHS - van Hove szingularitások)

fémesfélvezető

Állapotsűrűség

A VHS Maximumok helye a nanocső átmérőjétől függ, amit a királis vektor határoz meg.

Pásztázó alagútspektroszkópia

Egy adott pontban mérik az alagútáramot a tű és a minta közötti feszültség függvényében.

dI/dV – differenciális vezetőképesség

Az alagútáram nagyságát befolyásolja az állapotsűrűség.

Pásztázó alagútspektroszkópia

J.W.G. Wildöer et al. Nature 391 (1998) 59

Au felületre helyezett nanocsövek

Az Au felület elektronokkal dopolja nanocsöveket.

Jó egyezés az elméletileg meghatározott VHS gap értékekkel.

Pásztázó alagútspektroszkópia

Az állapotsűrűséget a dI/dV

differenciális vezetőképesség helyett

jobban tükrözi a

(dI/dV)(I/V)

normált differenciális állapotsűrűség

J.W.G. Wildöer et al. Nature 391 (1998) 59

Pásztázó alagútspektroszkópia

fémes

félvezető

Au felületen

Nanocső köteg

Au felületen

T.W. Odom et al.Nature 391 (1998) 62

A görbület hatása

zigzag armchair

A görbület hatására a nanocső Fermi pontjai eltolódnak a grafén Brillouin zónájának K pontjaiból, a cső hossztengelyére merőlegesen.

Ez kisméretű gap megjelenését kellene okozza EF körül.

Pásztázó alagútspektroszkópia

Fémes nanocsöveken alacsony hőmérsékleten végzett mérések

A gap nagysága fordítottan arányos a cső átmérőjével

Min Oujang et al.Science 292 (2001) 702

Pásztázó alagútspektroszkópia

Armchair nanocsöveken alacsony hőmérsékleten végzett mérések

Min Oujang et al.Acc. Chem. Res. 35 (2002) 1018

A kötegben levő nanocsövek szimmetriája sérül a szomszédos nanocsövekkel való kölcsönhatás következtében. Ez pseudogap megjelenését okozza a Fermi nívón.

Raman spektroszkópia

-300 -200 -100 0 100 200 300

Raman shift (cm-1

)

Fényszórás monokromatikus fénnyel

Rugalmatlanszórás

Rugalmasszórás

Rugalmatlanszórás

Szórt fény spektruma a gerjesztő fény hullámhosszához képest

A rugalmatlan szórás csak akkor megfigyelhető, ha a szórási folyamat során megváltozik a közeg polarizálhatósága.

Az eltolódás mértéke nem függ a gerjesztő fény hullámhosszától.

A rugalmatlan szórás valószínűsége kicsi, minden 108 fotonból egy szenved rugalmatlan szórást.

Az eltolódás mértéke függ a közeg tulajdonságaitól.

A rugalmatlan szórás a közeg elemi gerjesztésein (általában fononokon) történik.

Raman spektroszkópia

LS qkk LS

kL, kS ≈ 104 cm-1

q ≈ 1010 cm-1

A foton hullámvektor változását a fononnak kell konpenzálnia.

kL, kS << q

A szórásban csak Brillouin zóna közepén található fononok vesznek részt.

Raman spektroszkópia

A Raman spektroszkópia a nanocső összevont állapotsűrűségét tükrözi.

Ha a gerjesztő lézer energiája megközelíti a közeg egy valós átmenetének energiáját, a Raman szórás intenzitása néhány nagyságrenddel megnő. Ez a rezonáns Raman szórás.

A rezonáns Raman szórás állapotsűrűség maximumok közelében a legerősebb.

100 150 200 250 300

Raman shift (cm-1

)100 150 200 250 300

Raman shift (cm-1

)100 150 200 250 300

Raman shift (cm-1

)100 150 200 250 300

Raman shift (cm-1

)100 150 200 250 300

Raman shift (cm-1

)

Rezonáns Raman gerjesztési profil

1.65 1.70 1.75 1.80 1.85 1.90 1.95Inte

nzi

tás

(tet

sz.

eg

ys.)

Gerjesztés energiája (eV)

Gerjesztő energia

Radiális lélegző módus (RBM)

Frekvenciája függ a nanocső átmérőjétől

armchair zig-zag

Raman spektroszkópia

A.Jorio et al.Phys. Rev. B 63 (2001) 245416

Gerjesztés: 1,623 - 1,722 eV A 173,6 cm-1 sáv gerjesztési profilja

A csúcs aszimmetrikus alakja két VHS-t feltételez ebben az energiatartományban

Raman gerjesztési profil

A többféle lehetséges nanocső közül ehhez az értékhez az 1,43 nm átmérőjű (18, 0) nanocső gapje vana legközelebb.

VHS gap: 1,655 eV

Fémes nanocső

A 173,6 cm-1 frekvenciájú RBM módus alapján a nanocső átmérője 1,42 – 1,44 nm.

A van Hove szingularitások felhasadása