xxiii πανελληνιο ÏƒÏ Î½ÎµÎ´ÏÎ¹Î¿ Ï†Ï ÏƒÎ¹ÎºÎ·Ï‚ στερεας καταστασης & επιστημης ...

Επίδραση Yψηλών Πιέσεων Στο Φάσμα Raman 2 ης Tάξης Νανοσωλήνων Άνθρακα
Απλού Και Διπλού Τοιχώματος
K. Παπαγγελής 1 *, I. Αρβανιτίδης 2 , Δ. Χριστόφιλος 3 , Κ. Σ. Ανδρικόπουλος 3 , Σ. Βες 4 και Γ. Α. Κουρούκλης 3
1 Τμήμα Επιστήμης Υλικών, Πανεπιστήμιο Πατρών, 26504 Ρίο Πάτρας, Ελλάδα
2 Γενικό Τμήμα Θετικών Επιστημών, ΑΤΕΙ Θεσσαλονίκης, 57400 Σίνδος, Ελλάδα
3 Τομέας Φυσικής, Γενικό Τμήμα, Πολυτεχνική Σχολή, Α.Π.Θ., 54124 Θεσσαλονίκη, Ελλάδα
4 Τομέας Φυσικής Στερεάς Κατάστασης, Τμήμα Φυσικής, Α.Π.Θ.,54124, Θεσσαλονίκη, Ελλάδα
*kpapag@upatras.gr
Η εφαρμογή της φασματοσκοπίας Raman σε υλικά βασισμένα στους νανοσωλήνες άνθρακα (ΝΑ) παρέχει σημαντικές
πληροφορίες για τις δομικές, δονητικές και ηλεκτρονικές ιδιότητες τους. Ο μονοδιάστατος περιορισμός των φωνονικών και
ηλεκτρονικών καταστάσεων των ΝΑ και οι συνεπαγόμενες ανωμαλίες van Hove στη συνδυασμένη πυκνότητα καταστάσεων
για οπτικές μεταβάσεις επιτρέπουν την εξαιρετικά εύκολη καταγραφή φασμάτων Raman 2ης τάξης (με την συμμετοχή δύο
φωνονίων ή ενός φωνονίου και την ελαστική σκέδαση από επιφανειακές ατέλειες των νανοσωλήνων) σε συνθήκες διπλού
συντονισμού [1].
Στην παρούσα εργασία μελετάται η επίδραση υψηλών υδροστατικών πιέσεων μέχρι τα 10 GPa στις κορυφές Raman G΄
δεσμίδων νανοσωλήνων άνθρακα διπλού (DWCNTs) και των μητρικών μονού τοιχώματος (SWCNTs) με τη χρήση της
γραμμής διέγερσης ενός laser He-Ne στα 632.8 nm. Στους SWCNTs η κορυφή G΄ στα 2633 cm -1 αποτελεί δεύτερη αρμονική
του επαγόμενου από τις ατέλειες της γραφιτικής δομής D τρόπου δόνησης. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 1 στους DWCNTs
εκτός της κορυφής στα 2633 cm -1 καταγράφεται μια ασθενέστερη κορυφή στα 2588 cm -1 . Η κορυφή αυτή αποδίδεται στην
απόκριση των εσωτερικών νανοσωλήνων. Με την αύξηση της πίεσης παρατηρείται μετατόπιση των G΄ κορυφών των
DWCNTs προς μεγαλύτερες ενέργειες, αύξηση του συχνοτικού διαχωρισμού τους (Σχήμα 1α) και σημαντική μείωση της
έντασης της κορυφής G΄ που αντιστοιχεί στους εξωτερικούς νανοσωλήνες. Ο ρυθμός μετατόπισης των G΄ κορυφών των
DWCNTs και SWCNTs είναι σχεδόν γραμμικός παρουσιάζοντας ένα μικρό συντελεστή δεύτερης τάξης σε παραβολική
προσαρμογή. Στον Πίνακα 1 παρουσιάζονται οι γραμμικοί και παραβολικοί συντελεστές πίεσης των DWCNTs και
SWCNTs, ύστερα από προσαρμογή στα πειραματικά δεδομένα.
(α)
DWCNT
(β)
λ exc = 632.8 nm (1.96 eV)
1bar-downstroke
2800
Raman Intensity (arb. units)
9.7 GPa
6.6 GPa
1.3 GPa
1 bar
Raman Shift (cm -1 )
2750
2700
2650
G´
out
G´
in
2600
2600 2700 2800 2900
Raman Shift (cm -1 )
0 2 4 6 8 10
Pressure (GPa)
Σχήμα 1. (α) Φάσματα Raman στην G΄ περιοχή των DWCNTs σε θερμοκρασία δωματίου και για διάφορες πιέσεις, (β)
εξάρτηση από την πίεση των συχνοτήτων των G΄ κορυφών των SWCNTs και DWCNTs.
Δεδομένης της σύνθετης προέλευσης του G΄ τρόπου δόνησης και του γεγονότος ότι οι εφαρμογή της εξωτερικής πίεσης
τροποποιεί τις συνθήκες συντονισμού, η πολύ μεγαλύτερη τιμή του γραμμικού συντελεστή πίεσης της G΄ κορυφής που
αντιστοιχεί στους εξωτερικούς νανοσωλήνες σε σχέση με τους εσωτερικούς αποδίδεται στην ελάττωση της πίεσης που
δέχονται οι εσωτερικοί νανοσωλήνες λόγω της προστασίας που τους παρέχεται από τους εξωτερικούς. Σημειώνεται ότι
ανάλογη συμπεριφορά έχει παρατηρηθεί για τους εν φάση ακτινικούς και τους εφαπτομενικούς G τρόπους δόνησης [2,3].
Η μελέτη του ίδιου δείγματος DWCNTs με γραμμή διέγερσης στα 514.5nm έδωσε αμιγώς γραμμικούς συντελεστές πίεσης
οι οποίοι είναι 16.7 cm -1 /GPa για τους εξωτερικούς και 7.3 cm -1 /GPa για τους εσωτερικούς νανοσωλήνες άνθρακα [4]. Ο
συντελεστής πίεσης των εξωτερικών νανοσωλήνων είναι μικρότερος από τον αντίστοιχο στη παρούσα μελέτη, ενώ το
αντίθετο συμβαίνει για τους εσωτερικούς. Εστιαζόμενοι στη μηχανική απόκριση των DWCNTs η παραπάνω παρατήρηση
187