41
KETTŐS REZONANCIA GRAFIT és SZÉN NANOCSÖVEK RAMAN SPEKTRUMÁBAN MTA SZFKI , 2005. április 4. Kürti Jenő ELTE Biológiai Fizika Tanszék e-mail: [email protected] www: virag.elte.hu/~kurti

KETTŐS REZONANCIA GRAFIT és SZÉN NANOCSÖVEK RAMAN SPEKTRUMÁBAN

  • Upload
    chaeli

  • View
    41

  • Download
    0

Embed Size (px)

DESCRIPTION

KETTŐS REZONANCIA GRAFIT és SZÉN NANOCSÖVEK RAMAN SPEKTRUMÁBAN. MTA SZFKI , 2005. április 4. Kürti Jenő ELTE Biológiai Fizika Tanszék e-mail: [email protected]: virag.elte.hu/~kurti. VÁZLAT. Bevezetés - PowerPoint PPT Presentation

Citation preview

Page 1: KETTŐS REZONANCIA GRAFIT  és SZÉN  NANOCSÖVEK  RAMAN SPEKTRUMÁBAN

KETTŐS REZONANCIA GRAFIT

ésSZÉN NANOCSÖVEK

RAMAN SPEKTRUMÁBAN

MTA SZFKI , 2005. április 4.

Kürti Jenő

ELTE Biológiai Fizika Tanszék

e-mail: [email protected] www: virag.elte.hu/~kurti

Page 2: KETTŐS REZONANCIA GRAFIT  és SZÉN  NANOCSÖVEK  RAMAN SPEKTRUMÁBAN

VÁZLAT• Bevezetés

– rendezetlenség („disorder”) által indukált sáv (D-sáv) sp2 szén vegyületek Raman spektrumában

• Kettős rezonancia (elmélet)– grafit– egyfalú szén nanocsövek (SWCNTs)

• Összefoglalás

Page 3: KETTŐS REZONANCIA GRAFIT  és SZÉN  NANOCSÖVEK  RAMAN SPEKTRUMÁBAN

• graphite single crystal

• stress-annealed pyrolite graphite

• commercial graphite

• activated charcoal

λ = 488 nm

F.Tuinstra and J.L.Koenig, J. of Chem. Phys. 53, 1126 (1970)

G: 1575 cm-

1

D: 1355 cm-1

D band in graphiteG

D

Page 4: KETTŐS REZONANCIA GRAFIT  és SZÉN  NANOCSÖVEK  RAMAN SPEKTRUMÁBAN

A grafit D-sávjának diszperziója Elaser függvényében

I. Pócsik, M. Hundhausen, M. Koós and L. Ley, J. of Non-Crystalline Solids 227-230B, 1083 (1998)

ωD /Elaser 50 cm-1/eV

Page 5: KETTŐS REZONANCIA GRAFIT  és SZÉN  NANOCSÖVEK  RAMAN SPEKTRUMÁBAN

D band

Page 6: KETTŐS REZONANCIA GRAFIT  és SZÉN  NANOCSÖVEK  RAMAN SPEKTRUMÁBAN

Measured D band of SWCNTs

Bundles

with

Gaussian diameter distribution:

p(d) exp(-(d-d0)2/22)

with d0 = 1.32 nm and = 0.14 nm

various laser excitation (eV)

J.Kürti, V.Zólyomi, A.Grüneis and H.Kuzmany, PRB 65, 165433, 2002

Page 7: KETTŐS REZONANCIA GRAFIT  és SZÉN  NANOCSÖVEK  RAMAN SPEKTRUMÁBAN

ωD(cm-1) = 1219 + 52 Elaser (eV)

ωD*(cm-1) = 2419 + 106 Elaser (eV) (G’)Measured anomalous dispersion of the D band of

SWCNTs

Page 8: KETTŐS REZONANCIA GRAFIT  és SZÉN  NANOCSÖVEK  RAMAN SPEKTRUMÁBAN

Tight binding

R.A.Jishi et al. CPL 209 77 (1983)

DFT

D.Sanchez-Portal et al. PRB 59 12678 (1999)

Valence force field MO/8

C.Mapelli et al.

PRB 60 12710 (1999)

DFT (VASP)

G.Kresse et al. Europhys. Lett. 32 729 (1995)

Page 9: KETTŐS REZONANCIA GRAFIT  és SZÉN  NANOCSÖVEK  RAMAN SPEKTRUMÁBAN

Raman basics

Stokes, 0 = 2 – 1, :

i

b

a

1

1

2

Page 10: KETTŐS REZONANCIA GRAFIT  és SZÉN  NANOCSÖVEK  RAMAN SPEKTRUMÁBAN

Raman basics

Stokes, = 1 – 2, :

1

1

2

ba

Page 11: KETTŐS REZONANCIA GRAFIT  és SZÉN  NANOCSÖVEK  RAMAN SPEKTRUMÁBAN

Disorder induced resonant Raman scattering

defect scattering

phonon scattering

Page 12: KETTŐS REZONANCIA GRAFIT  és SZÉN  NANOCSÖVEK  RAMAN SPEKTRUMÁBAN

Raman amplitudes for the Feynman diagrams

Stokes

anti Stokes

Double resonance: two of the denominators are zero at the same time

(C.Thomsen and S.Reich, PRL 85, 5214, 2000 : for graphite)

Eael = conduction(k) - valence(k) Eb

el = conduction(k’) - valence(k)

( = 0.01-0.1 eV)

Page 13: KETTŐS REZONANCIA GRAFIT  és SZÉN  NANOCSÖVEK  RAMAN SPEKTRUMÁBAN

Disorder induced resonant Raman scattering

defect scattering

phonon scattering

Page 14: KETTŐS REZONANCIA GRAFIT  és SZÉN  NANOCSÖVEK  RAMAN SPEKTRUMÁBAN

Graphene electron energy dispersion from book: R.Saito, G.Dresselhaus, M.S.Dresselhaus, Physical Proprties of Carbon Nanotubes, Imperial College Press, 1998

conduction band

valence band

E 18 eV

EM 6 eV

EK 0 eV

Page 15: KETTŐS REZONANCIA GRAFIT  és SZÉN  NANOCSÖVEK  RAMAN SPEKTRUMÁBAN

Relevant 4th order Feynman diagrams for Stokes and antiStokes processes

defect scattering

phonon scattering

Page 16: KETTŐS REZONANCIA GRAFIT  és SZÉN  NANOCSÖVEK  RAMAN SPEKTRUMÁBAN

Eael = conduction(k) - valence(k), Eb

el = conduction(k’) - valence(k), etc

( = 0.01-0.1 eV)

Raman amplitudes for the Feynman diagrams

Stokes

anti Stokes

Double resonance: two of the denominators are zero at the same time

(C.Thomsen and S.Reich, PRL 85, 5214, 2000 : for graphite)

Page 17: KETTŐS REZONANCIA GRAFIT  és SZÉN  NANOCSÖVEK  RAMAN SPEKTRUMÁBAN

Relevant 4th order Feynman diagrams for Stokes processes

Page 18: KETTŐS REZONANCIA GRAFIT  és SZÉN  NANOCSÖVEK  RAMAN SPEKTRUMÁBAN

Graphene electron energy dispersion from book: R.Saito, G.Dresselhaus, M.S.Dresselhaus, Physical Proprties of Carbon Nanotubes, Imperial College Press, 1998

conduction band

valence band

conduction band

valence band

III, IV

I, II

E 18 eV

EM 6 eV

EK 0 eV

Page 19: KETTŐS REZONANCIA GRAFIT  és SZÉN  NANOCSÖVEK  RAMAN SPEKTRUMÁBAN

equi excitation energy curves of electrons

equi phonon frequency curves

electron dispersion phonon dispersion

q0 = K’K K’

q0

q0

Page 20: KETTŐS REZONANCIA GRAFIT  és SZÉN  NANOCSÖVEK  RAMAN SPEKTRUMÁBAN

Calculated D band of graphene

Elaser = 2.0 eV —

Elaser = 2.5 eV ---

Page 21: KETTŐS REZONANCIA GRAFIT  és SZÉN  NANOCSÖVEK  RAMAN SPEKTRUMÁBAN

Simple qualitative interpretation of the maxima 1, 2 and 3

q0 = |K’K|

q1 > q0

q2 < q0

q3a = q3b q0

Page 22: KETTŐS REZONANCIA GRAFIT  és SZÉN  NANOCSÖVEK  RAMAN SPEKTRUMÁBAN

Points in k-space of a general (chiral) SWCNT for double resonance condition

2/d

qphonon

Page 23: KETTŐS REZONANCIA GRAFIT  és SZÉN  NANOCSÖVEK  RAMAN SPEKTRUMÁBAN

Calculated D band for a (11,9) SWCNT

Page 24: KETTŐS REZONANCIA GRAFIT  és SZÉN  NANOCSÖVEK  RAMAN SPEKTRUMÁBAN

Triple (quadruple) resonance = double resonance + VH enhancement

Eii

Van Hove singularity

1D - DOS

Van Hove singularity

Page 25: KETTŐS REZONANCIA GRAFIT  és SZÉN  NANOCSÖVEK  RAMAN SPEKTRUMÁBAN

Calculated van Hove enhancement for the (11,9) tube

EE2222 = 1.197 eV = 1.197 eV

E33 = 2.382 eV

EE4444 = 2.860 eV = 2.860 eV

in out

Page 26: KETTŐS REZONANCIA GRAFIT  és SZÉN  NANOCSÖVEK  RAMAN SPEKTRUMÁBAN

S.L.Zhang et al., PRB 66, 35413, 2002

Abnormal anti-Stokes Raman scattering for the D mode of SWCNTs

Elaser = 2.41eV

Page 27: KETTŐS REZONANCIA GRAFIT  és SZÉN  NANOCSÖVEK  RAMAN SPEKTRUMÁBAN

V.Zólyomi and J. Kürti, PRB 66, 073418, 2002

a-S

S

Calculated dispersion of the Stokes and anti-Stokes D band for a bundle of SWCNTs

ω ωD /Elaser• hωphonon

0.16 eV

0.16 eV

Page 28: KETTŐS REZONANCIA GRAFIT  és SZÉN  NANOCSÖVEK  RAMAN SPEKTRUMÁBAN
Page 29: KETTŐS REZONANCIA GRAFIT  és SZÉN  NANOCSÖVEK  RAMAN SPEKTRUMÁBAN

SUMMARY

The D band (around 1300 cm-1) of sp2 carbon materials (graphite as well as SWCNTs) is induced by disorder. Defects allow higher order Raman process involving non-zone-center phonons

The D* (G’) band (around 2600 cm-1) is te result of a two-phonon process, and needs no disorder

The position of the D band shifts with increasing laser excitation energy ( 50 cm-1/eV). Similar dispersion holds for the D* (G’) band ( 100 cm-1/eV)

Additional (selective) enhancement due to Van Hove singularities in the case of SWCNTs

Page 30: KETTŐS REZONANCIA GRAFIT  és SZÉN  NANOCSÖVEK  RAMAN SPEKTRUMÁBAN
Page 31: KETTŐS REZONANCIA GRAFIT  és SZÉN  NANOCSÖVEK  RAMAN SPEKTRUMÁBAN

Characterization of “Defects”A. C. Dillon et al.,

CPL 401 (2005) 522

R. Czerw et al. Nanoletters 1, 457 (2001)M. Terrones et al. Appl. Phys. A, 74, 355 (2002)

Microscopy and ab initio…

from Ado Jorio

Page 32: KETTŐS REZONANCIA GRAFIT  és SZÉN  NANOCSÖVEK  RAMAN SPEKTRUMÁBAN

A. C. Dillon et al.CPL 401, 522 (2005)

Mass-transport-limited oxidation inducing defects

The D band intensity depends on reaction time

D band increases with increasing B doping

M. Terrones et al. Materials Today Magazine (2004)

from Ado Jorio

Page 33: KETTŐS REZONANCIA GRAFIT  és SZÉN  NANOCSÖVEK  RAMAN SPEKTRUMÁBAN

Defect-free SWNT bundles

Forbidden Raman modes are observed in

defective materials

Defective sample

Defect-free sample

PMMA+SWNT fiberM.Souza et al. PRB (2004)

Disorder G-band proposed by Maultzsch et al. PRB (2003)

from Ado Jorio

Page 34: KETTŐS REZONANCIA GRAFIT  és SZÉN  NANOCSÖVEK  RAMAN SPEKTRUMÁBAN

Micro-Raman spectra from graphite edges

AFM

STM

Raman Spectra

D band is strong for armchair edgeand weak for zigzag edge

zigzag edge

armchair edge

Cancado et al. PRL (2004)

HOPG substrate

Page 35: KETTŐS REZONANCIA GRAFIT  és SZÉN  NANOCSÖVEK  RAMAN SPEKTRUMÁBAN

Raman can tell us if the edge has an

armchair or zigzag structure

Double resonance one “1D defect” explains the resultCancado et al. PRL (2004)

Micro-Raman spectra from graphite edges

Such an effect has been predicted for SWNTs but not yet

observed[Maultzsch et al.,

PRB(2001)]

Page 36: KETTŐS REZONANCIA GRAFIT  és SZÉN  NANOCSÖVEK  RAMAN SPEKTRUMÁBAN
Page 37: KETTŐS REZONANCIA GRAFIT  és SZÉN  NANOCSÖVEK  RAMAN SPEKTRUMÁBAN
Page 38: KETTŐS REZONANCIA GRAFIT  és SZÉN  NANOCSÖVEK  RAMAN SPEKTRUMÁBAN
Page 39: KETTŐS REZONANCIA GRAFIT  és SZÉN  NANOCSÖVEK  RAMAN SPEKTRUMÁBAN
Page 40: KETTŐS REZONANCIA GRAFIT  és SZÉN  NANOCSÖVEK  RAMAN SPEKTRUMÁBAN
Page 41: KETTŐS REZONANCIA GRAFIT  és SZÉN  NANOCSÖVEK  RAMAN SPEKTRUMÁBAN