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

Φασματοσκοπική Μελέτη Raman Συστημάτων Νανοσωλήνων Άνθρακα σε Υψηλές
Υδροστατικές Πιέσεις
Δ. Χριστόφιλος 1* , Ι Αρβανιτίδης 1,2 , Η. Ευθυμιόπουλος 1,3 , X. Zhao 4 , Y. Ando 4 , T. Takenobu 5 , Y. Iwasa 5 , H. Kataura 6 , Σ. Βες 3
και Γ. Α. Κουρούκλης 1
1 Τομέας Φυσικής, Γενικό Τμήμα, Πολυτεχνική Σχολή, Α.Π.Θ., 541 24, Θεσσαλονίκη
2 Τομέας Φυσικής, Γενικό Τμήμα, Τ.Ε.Ι. Θεσσαλονίκης, 574 00, Σίνδος
3 Τομέας Φυσικής Στερεάς Κατάστασης, Τμήμα Φυσικής, Α.Π.Θ., 541 24, Θεσσαλονίκη
4 Department of Materials Science and Engineering, Meijo University, Nagoya 468-8502, Japan
5 Institute for Materials Research, Tohoku University, 2-1-1 Katahira, Aoba-ku, Sendai 980-8577 and CREST, Japan Science
and Technology Corporation, Kawaguchi 332-0012, Japan
6 National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST), 1-1-1 Higashi, Tsukuba, Ibaraki 305-8562, Japan
*Ηλεκτρονική Διεύθυνση Συγγραφέα Επικοινωνίας: christof@vergina.eng.auth.gr
Οι νανοσωλήνες άνθρακα αποτελούν μία από τις πολλά υποσχόμενες, για τεχνολογικές εφαρμογές, κατηγορίες
νανοσκοπικών υλικών με πολύ ενδιαφέρουσες οπτικές και ηλεκτρονικές ιδιότητες [1]. Η φασματοσκοπία Raman αποτελεί
μία από τις σημαντικότερες τεχνικές για την ταυτοποίηση και τη μελέτη τους, επιτρέποντας την εύρεση της διαμέτρου των
υπό εξέταση σωλήνων από τη γραμμική σχέση της συχνότητας των ακτινικών τρόπων αναπνοής τους (RBM) με το
αντίστροφο της διαμέτρου τους [1]. Από την άλλη μεριά, η άσκηση υψηλών υδροστατικών πιέσεων επιτρέπει τόσο τη
μελέτη της δομικής ευστάθειας όσο και της ισχύος των αλληλεπιδράσεων στις δομές αυτές [2]. Στους νανοσωλήνες
πολλαπλών τοιχωμάτων (πολυστρωματικοί νανοσωλήνες, ΜWCNT), ο μεγάλος αριθμός των ομοαξονικών σωλήνων
εμποδίζει την εμφάνιση των RBM των εσωτερικών σωλήνων στο φάσμα Raman. Στην περίπτωσή μας, όμως, ο σχετικά
μικρός αριθμός των ομοαξονικών σωλήνων επιτρέπει την μελέτη των RBM των εσωτερικών σωλήνων με την πίεση και τη
σύγκριση της συμπεριφοράς τους σε συστήματα αντίστοιχων διαμέτρων νανοσωλήνων απλού τοιχώματος (μονοστρωματικοί
νανοσωλήνες, SWCNT) και διπλού τοιχώματος (διστρωματικοί νανοσωλήνες, DWCNT).
Raman Intensity (arb. units)
2.7 GPa
0.2 GPa
SWCNTs
200 300 400
DWCNTs
2.5 GPa
0.2 GPa
200 300 400
Raman Shift (cm -1 )
MWCNTs
2.4 GPa
0.1 GPa
200 300 400
Σχήμα 1 Φάσματα Raman των SWCNT, DWCNT και MWCNT στην περιοχή των RBM σε διαφορετικές πιέσεις..
Τα SWCNT έχουν παρασκευαστεί από την Carbon Nanotechnologies Incorporated, BuckyPearlsTM με τη μέθοδο της
καταλυτικής διάσπασης μονοξειδίου του άνθρακα σε υψηλή πίεση (HiPCO) και έχουν διαμέτρους 0.8-1.2 nm. Τα DWCNT
έχουν παρασκευαστεί με τη μέθοδο του Bandow [3] και έχουν διαμέτρους 0.6-0.9 nm (εσωτερικοί) και 1.3-1.6 nm
(εξωτερικοί). Τέλος, τα MWCNT έχουν παρασκευαστεί με εκκένωση τόξου και αποτελούνται από 10-15 ομοαξονικούς
σωλήνες με διαμέτρους από ~1 nm (εσώτατοι) έως ~10 nm (εξώτατοι) [4]. Όλα τα δείγματα είναι σε μορφή δεσμίδων
(bundles) και μελετήθηκαν σε διάταξη Raman Dilor XY με διέγερση στα 676.4 nm και ισχύ μικρότερη από 3 mW,
μετρημένη μπροστά από την κυψελίδα υψηλών πιέσεων που χρησιμοποιήθηκε στα πειράματα, ενώ ως υδροστατικό μέσο
μετάδοσης της πίεσης χρησιμοποιήθηκε μείγμα μεθανόλης-αιθανόλης 4:1.
Στο σχήμα 1 παρουσιάζονται ενδεικτικά φάσματα από τα τρία υλικά για δύο διαφορετικές πιέσεις του κύκλου αύξησης της
πίεσης. Οι RBM των SWCNT εμφανίζουν σημαντικές μεταβολές στη συχνότητά τους με την πίεση. Η αύξηση της
συχνότητας είναι σημαντικότερη για τους μεγαλύτερους νανοσωλήνες (μικρές συχνότητες) και συνοδεύεται από σημαντική
διεύρυνση και πτώση της έντασής τους. Το φαινόμενο αυτό αποδίδεται στη μεγαλύτερη ευπάθεια στην πίεση των
μεγαλύτερης διαμέτρου σωλήνων, με αποτέλεσμα την παραμόρφωση της διατομής τους [5]. Τα φαινόμενα αυτά είναι πολύ
μικρότερης έντασης για τους εσωτερικούς σωλήνες των DWCNT, οι οποίοι θωρακίζονται από την πίεση λόγω των
247