59
Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? Martin Kalbáč Martin Kalbáč Ústav fyzikální chemie J. Heyrovského, Praha IFW Dresden Massachusetts Institute of Technology (MIT), Cambridge,USA

Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? y ypnanosystemy.upol.cz/upload/11/kalbac.pdf · 2010-10-12 · Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? Martin Kalbáč

  • Upload
    others

  • View
    1

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? y ypnanosystemy.upol.cz/upload/11/kalbac.pdf · 2010-10-12 · Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? Martin Kalbáč

Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost?

Martin Kalbáč

y y p

Martin Kalbáč

Ústav fyzikální chemie J. Heyrovského, Praha

IFW Dresden Massachusetts Institute of Technology (MIT), Cambridge,USA

Page 2: Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? y ypnanosystemy.upol.cz/upload/11/kalbac.pdf · 2010-10-12 · Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? Martin Kalbáč

Forms of carbon

NanotubesNanotubes

Fullerenes

Graphene

Diamond Graphite

Graphene

Page 3: Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? y ypnanosystemy.upol.cz/upload/11/kalbac.pdf · 2010-10-12 · Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? Martin Kalbáč

Content:1) Grafen

2) Fullereny

3) Nanotuby

4) Peapody

5) DWCNTs

6) Spektroelektrochemie

Page 4: Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? y ypnanosystemy.upol.cz/upload/11/kalbac.pdf · 2010-10-12 · Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? Martin Kalbáč
Page 5: Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? y ypnanosystemy.upol.cz/upload/11/kalbac.pdf · 2010-10-12 · Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? Martin Kalbáč

Forms of carbon

GraphiteGraphite

Page 6: Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? y ypnanosystemy.upol.cz/upload/11/kalbac.pdf · 2010-10-12 · Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? Martin Kalbáč

Forms of carbon

GrapheneGraphene

Page 7: Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? y ypnanosystemy.upol.cz/upload/11/kalbac.pdf · 2010-10-12 · Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? Martin Kalbáč

Graphene –applications

Ultrathin conductive films Graphene Used To Create W ld' S ll t T i tWorld's Smallest Transistor

Liquid Crystal Device with electrodes made of graphene with different voltages applied. The overall width of the insert image is 30 microns. (Image: Mesoscopic Physics Group, University of Manchester)

Dr Ponomarenko, who carried out this work, shows his research sample: graphene quantum dots on a chip.

Page 8: Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? y ypnanosystemy.upol.cz/upload/11/kalbac.pdf · 2010-10-12 · Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? Martin Kalbáč

Graphene –applications

Single molecule gas detectionSingle molecule gas detection

Ultracapacitors

Spin transport

Schematic of the resonator. The graphene is in contact with a gold electrode that can be used to electrostatically actuate the resonator. A red laser is used to detect the motion of the resonator by laser interferometry.

Page 9: Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? y ypnanosystemy.upol.cz/upload/11/kalbac.pdf · 2010-10-12 · Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? Martin Kalbáč

Forms of carbon

GrapheneGraphene

≈ £ 0.70 per μm2

≈ £ 700 000 per mm2p

Page 10: Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? y ypnanosystemy.upol.cz/upload/11/kalbac.pdf · 2010-10-12 · Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? Martin Kalbáč

Forms of carbon

GrapheneGraphene

Page 11: Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? y ypnanosystemy.upol.cz/upload/11/kalbac.pdf · 2010-10-12 · Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? Martin Kalbáč

Forms of carbon

GrapheneGraphene

Page 12: Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? y ypnanosystemy.upol.cz/upload/11/kalbac.pdf · 2010-10-12 · Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? Martin Kalbáč

Chemical vapor deposition (CVD)

Quartz boatQuartz boatCu or Ni substrate

Quartz tube

Electric furnace

Quartz tube

Electric furnace

Ethanol tank

Ar/H2

Aror Ethanol tankEthanol tankArorH2/CH4

Hot bathHot bathHot bath

Page 13: Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? y ypnanosystemy.upol.cz/upload/11/kalbac.pdf · 2010-10-12 · Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? Martin Kalbáč

Chemical vapor deposition (CVD)

Page 14: Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? y ypnanosystemy.upol.cz/upload/11/kalbac.pdf · 2010-10-12 · Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? Martin Kalbáč

Transfer of graphene

Page 15: Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? y ypnanosystemy.upol.cz/upload/11/kalbac.pdf · 2010-10-12 · Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? Martin Kalbáč

Transfer of graphene

Page 16: Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? y ypnanosystemy.upol.cz/upload/11/kalbac.pdf · 2010-10-12 · Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? Martin Kalbáč

Chemical vapor deposition (CVD)

Page 17: Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? y ypnanosystemy.upol.cz/upload/11/kalbac.pdf · 2010-10-12 · Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? Martin Kalbáč

Expo '67 American Pavillion by R. Buckminster Fuller, on Ile Sainte-Hélène, Montreal

Page 18: Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? y ypnanosystemy.upol.cz/upload/11/kalbac.pdf · 2010-10-12 · Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? Martin Kalbáč

C acc to IUPAC:C60 acc. to IUPAC:

Hentriacontacyclo[29.29.0.0.2,14.03,12.04,59.05,10.06,58.07,55 08,53 09,21 011,20 013,18 015,30 016,28 017,25 019,24 022,52 02.0 .0 .0 .0 .0 .0 .0 .0 .0 .03.50.026,49.027,47.029,45.032,44.033,60.034,57.035,43.036,56.037,41.038,54.039,51.040,48.042,46]hexaconta-1 3 5(10) 6 8 11 13(18) 14 16 19 21 23 25 27 29(45)1,3,5(10),6,8,11,13(18),14,16,19,21,23,25,27,29(45), 30,32(44),33,35(43),36,38(54),39(51),40(48),41,46,49,52,55,57, 59-triaconten

Kroto, Allaf, Balm, Chem. Rev. 91, 1991, 1213

Page 19: Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? y ypnanosystemy.upol.cz/upload/11/kalbac.pdf · 2010-10-12 · Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? Martin Kalbáč

Fullerene galleryFullerene gallery

C60 C70 C78 C82C76

La@C84

Sc3N@C84

Endohedral Fullerene M@C84

Page 20: Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? y ypnanosystemy.upol.cz/upload/11/kalbac.pdf · 2010-10-12 · Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? Martin Kalbáč

Carbon nanotubes

Page 21: Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? y ypnanosystemy.upol.cz/upload/11/kalbac.pdf · 2010-10-12 · Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? Martin Kalbáč

Rolling of SWCNTRolling of SWCNT

-zag

zig-

arm-chair

Page 22: Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? y ypnanosystemy.upol.cz/upload/11/kalbac.pdf · 2010-10-12 · Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? Martin Kalbáč

Carbon nanotubes (CNT)

MWCNTSWCNT

DWDWCNT

Page 23: Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? y ypnanosystemy.upol.cz/upload/11/kalbac.pdf · 2010-10-12 · Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? Martin Kalbáč

SWCNT BundlesSWCNT Bundles

Page 24: Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? y ypnanosystemy.upol.cz/upload/11/kalbac.pdf · 2010-10-12 · Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? Martin Kalbáč

SWCNT BundlesSWCNT Bundles

Page 25: Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? y ypnanosystemy.upol.cz/upload/11/kalbac.pdf · 2010-10-12 · Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? Martin Kalbáč

Single wall carbon nanotubes (SWCNT)

• Size: Nanostructures with dimensionsof ~1 nm diameter (~10 atoms around

• Electronic Properties: Can be eithermetallic or semiconducting depending on

the cylinder)

• Physics: 1D density of electronic states. Single molecule Raman spectroscopy,

diameter and orientation of the hexagons

•Mechanical Properties: Very high strength. Good properties on both compression and

luminescence, and transport properties. extension.

Page 26: Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? y ypnanosystemy.upol.cz/upload/11/kalbac.pdf · 2010-10-12 · Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? Martin Kalbáč

Carbon nanotubes (CNT) mechanical propertiesCarbon nanotubes (CNT) mechanical properties

Fiber material

Specific density

E (TPa)

Strength (GPa)

Strain at break (%) y ( ) ( ) ( )

CNT 1.3 - 2 1 10-60 10

HS St l 7 8 0 2 4 1 10HS Steel 7.8 0.2 4.1 <10

CF-PAN 1.7 - 2 0.2 -0.6

1.7 - 5 0.3 - 2.4 0.6

Kevlar 49 1.4 0.13 3.6-4.1 2.8

Page 27: Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? y ypnanosystemy.upol.cz/upload/11/kalbac.pdf · 2010-10-12 · Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? Martin Kalbáč

Carbon nanotubes (CNT) mechanical propertiesCarbon nanotubes (CNT) mechanical properties

Page 28: Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? y ypnanosystemy.upol.cz/upload/11/kalbac.pdf · 2010-10-12 · Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? Martin Kalbáč

Single nanotube transistor

• Distinctive metallic and semiconducting

iIBM

transport properties

• Ballistic transport• Ballistic transport

• Extremely high y gcurrent carrying capacity

Page 29: Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? y ypnanosystemy.upol.cz/upload/11/kalbac.pdf · 2010-10-12 · Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? Martin Kalbáč

Chemical vapor deposition (CVD)

Quartz boatQuartz boat

Quartz tube

Electric furnace

Quartz tube

Electric furnace

Ethanol tank

Ar/H2

Aror Ethanol tankEthanol tank

Ar/H2

Aror

Hot bathHot bathHot bath

Page 30: Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? y ypnanosystemy.upol.cz/upload/11/kalbac.pdf · 2010-10-12 · Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? Martin Kalbáč

Quality vs. price

Page 31: Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? y ypnanosystemy.upol.cz/upload/11/kalbac.pdf · 2010-10-12 · Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? Martin Kalbáč

Purity of carbon nanotubes

Commercial „90% carbon purity“500 $ /gg

Page 32: Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? y ypnanosystemy.upol.cz/upload/11/kalbac.pdf · 2010-10-12 · Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? Martin Kalbáč

SWCNT from graphene

a1 6 a1Aa2

5 a5 a2Ch

BB

Chiral vector: Ch = na1 + ma2a1 , a2 …. Unit vectors of 2D-hexagonal lattice Chiral vector: Ch = 6a1 + 5a2a1 , a2 …. Unit vectors of 2D-hexagonal lattice

(6,5)1 , 2 g1 , 2 g

Page 33: Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? y ypnanosystemy.upol.cz/upload/11/kalbac.pdf · 2010-10-12 · Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? Martin Kalbáč

SWCNT from grapheneg p

Armchair nT(n=m) metal

Zig-zag nT(n-m) = 3i metal(n-m) ≠ 3i semicond.

Chiral nT(n m) = 3i metal(n-m) = 3i metal(n-m) ≠ 3i semicond.

Page 34: Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? y ypnanosystemy.upol.cz/upload/11/kalbac.pdf · 2010-10-12 · Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? Martin Kalbáč

Density of states (DOS) in SWCNT→Van Hove singularities

2.5

2.0

1.5

1.0(5 0)

Zig-zag tubes

2.5

2.0

1.5

1.0

(5,5)

(5 5)

Armchair tubes

2.5

2 0

0.5

0.0

-3 -2 -1 0 1 2 3

tom

/eV

)

(5,0)

2.5

0.5

0.0

-3 -2 -1 0 1 2 3

(5,5)

om/e

V)

2.0

1.5

1.0

0.5

0.0

S (s

tate

s/C

-at

(10,0)2.0

1.5

1.0

0.5

(10,10)(10,10)

(sta

tes/

C-a

t

-3 -2 -1 0 1 2 3

2.5

2.0

1.5

1 0

DO

S

(20,0)

2.5

2.0

1.5

1 0

-3 -2 -1 0 1 2 3

(20,20)(20,20)

DO

S

1.0

0.5

0.0

-3 -2 -1 0 1 2 3

Energy, eV

( , )1.0

0.5

0.0

-3 -2 -1 0 1 2 3

Energy, eV

Page 35: Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? y ypnanosystemy.upol.cz/upload/11/kalbac.pdf · 2010-10-12 · Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? Martin Kalbáč

ΔE of singularities vs. diameter of SWCNT (“Kataura graph”)

a2χ1.5

ergy

, eV

daE CC−=Δ 02χ

SWCNT d ≈ 1.1-1.4 nm

0.0

0.5

1.0Ene

(10,10)

arat

ion

(eV)

v 2→c

1.8-1.5

-1.0

-0.5

Ener

gy S

epa

vm1→cm

1

vm →cm2

vs3→cs3

0.7

1.2DOS

1.0

1.5

Ene

rgy,

eV

vs1→cs1

vs2→cs

2

-0.5

0.0

0.5

(11,9)

Nanotube diameter (nm)

(n, m) to (40,40) -1.5

-1.0

DOS

Page 36: Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? y ypnanosystemy.upol.cz/upload/11/kalbac.pdf · 2010-10-12 · Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? Martin Kalbáč

Vis/NIR spectrum of SWCNT/ITO

0.5

0.4vss

11→→ ccss11

vss22→→ ccss

22

vmm11→→ ccmm

110.3

0.2Abso

rban

ce vmm →→ ccmmhv

0.1

0.0ITOSWCNT

3.02.52.01.51.00.5Energy, eV

Page 37: Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? y ypnanosystemy.upol.cz/upload/11/kalbac.pdf · 2010-10-12 · Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? Martin Kalbáč

SWCNT Bundles

Page 38: Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? y ypnanosystemy.upol.cz/upload/11/kalbac.pdf · 2010-10-12 · Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? Martin Kalbáč

Sorting SWCNT

Page 39: Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? y ypnanosystemy.upol.cz/upload/11/kalbac.pdf · 2010-10-12 · Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? Martin Kalbáč

What is the Raman spectroscopy aboutp py

C. V. Raman

Page 40: Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? y ypnanosystemy.upol.cz/upload/11/kalbac.pdf · 2010-10-12 · Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? Martin Kalbáč

Resonance enhanced Raman spectroscopy

Approximately 1 in 107 photons is inelastically scattered

The signal is usally very weak

Approximately 1 in 107 photons is inelastically scattered

1) Use of lasers - intensive light2) Resonance enhancement2) Resonance enhancement

Page 41: Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? y ypnanosystemy.upol.cz/upload/11/kalbac.pdf · 2010-10-12 · Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? Martin Kalbáč

R h d R tResonance enhanced Raman spectroscopy

E1 V0

Virtual state

E0 V1Optical transition ?E0 V0

Optical transition ?

Resonance enhanced spectra102-104

Page 42: Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? y ypnanosystemy.upol.cz/upload/11/kalbac.pdf · 2010-10-12 · Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? Martin Kalbáč

Resonance Raman spectroscopy of SWCNT

2))(( γγ iEEEiEE

cIiiphLiiL −−+−−

=

EL - laser photon energyEii - optical transition energyEph - phonon energyγ damping constantγ - damping constant

Typical values for RBMEph ≈ 0.02 eVγ ≈ 0.05 eV

Page 43: Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? y ypnanosystemy.upol.cz/upload/11/kalbac.pdf · 2010-10-12 · Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? Martin Kalbáč

Raman spectrum of SWCNT

2.41 eV

1.83 eV

2.41 eV

TG

tens

ity, a

. u.

tens

ity, a

. u.

TG

Ram

an in

t

x 25x 5Ram

an in

t

G’RBM D

G’

28002700260025001600150014001300300250200150100

Raman shift, cm-128002700260025001600150014001300300250200150100

Raman shift, cm-1

Diameter = 234/ωRBM

Page 44: Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? y ypnanosystemy.upol.cz/upload/11/kalbac.pdf · 2010-10-12 · Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? Martin Kalbáč

Growth of CNT

Page 45: Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? y ypnanosystemy.upol.cz/upload/11/kalbac.pdf · 2010-10-12 · Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? Martin Kalbáč

Raman spectra of SWCNT, hvexc= 1.83 eV

x 1.5

y, a

.u.

man

inte

nsity Bundle

Ra

1640160015601520400350300250200150

Raman shift, cm-1

Page 46: Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? y ypnanosystemy.upol.cz/upload/11/kalbac.pdf · 2010-10-12 · Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? Martin Kalbáč

Creation of defects in SWCNT

RF Ar plasma

Individual SWCNT

Mask

SubstrateMask

Page 47: Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? y ypnanosystemy.upol.cz/upload/11/kalbac.pdf · 2010-10-12 · Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? Martin Kalbáč

Defective SWCNT

x 30

x103

ensi

ty, a

.u. D mode

x

Ram

an in

te

Pristine part

27202700268026601600150014001300220200180160140

Raman shift cm-1

Defective part

Diameter = 234/ωRBM

Raman shift, cm

Page 48: Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? y ypnanosystemy.upol.cz/upload/11/kalbac.pdf · 2010-10-12 · Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? Martin Kalbáč

Formation of fullerene peapod (C60@SWCNT)

C60 (g) Nanotube, optimum ∅ ≈1.36 nmFULLERENE PEAPODNanotube, optimum ∅ 1.36 nm

Page 49: Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? y ypnanosystemy.upol.cz/upload/11/kalbac.pdf · 2010-10-12 · Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? Martin Kalbáč

Dy3N@C80@SWCNT

Dy3N@C80@SWCNTDy3N@C80@SWCNT

Dysprosium (at approx. 154 eV) from EELS spectra

J.Cech, M. Kalbáč, S.A. Curran, D. Zhang, U. Dettlaff-Weglikowska, L. Dunsch, S. Yang and S. Roth: Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures, in press (2006)

Distance (nm)

Page 50: Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? y ypnanosystemy.upol.cz/upload/11/kalbac.pdf · 2010-10-12 · Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? Martin Kalbáč

Raman spectra of Dy3N@C80@SWCNT hvexc= 1.91 eVy,

a. u

. in

tens

ity

Dy3N@C80@SWCNT

Ram

an

5Dy3N@C80

SWCNT

18001600140012001000800600400200Raman shift, cm -1

x 5

Page 51: Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? y ypnanosystemy.upol.cz/upload/11/kalbac.pdf · 2010-10-12 · Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? Martin Kalbáč

Double walled nanotubesRT

C60@SWCNT800 oC

1200 oC

DWCNT1000 oC

1200 oC

S. Bandow et al., Chem. Phys. Lett. 337 (2001) 48

Page 52: Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? y ypnanosystemy.upol.cz/upload/11/kalbac.pdf · 2010-10-12 · Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? Martin Kalbáč

Raman spectra of dry DWCNT, hvexc= 1.83 eV

sity

, a. u

. INNER TUBESOUTER TUBES

Ram

an in

tens

400350300250200150100Raman shift, cm -1

Page 53: Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? y ypnanosystemy.upol.cz/upload/11/kalbac.pdf · 2010-10-12 · Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? Martin Kalbáč

Double walled nanotubes from different peapod sources(The spectra are excited by 1.83 eV)

C78-DWCNT

a. u

.

C70-DWCNT

a. u

.

C60-DWCNT

a. u

.

Ram

an in

tens

ity, a

Ram

an in

tens

ity, a

Ram

an in

tens

ity, a

360340320300280260240Raman shift, cm -1360340320300280260240

Raman shift, cm -1360340320300280260240Raman shift, cm -1

Dy3N@C80-DWCNTLa@C82-DWCNTC84-DWCNT

nten

sity

, a. u

.

nten

sity

, a. u

.

nten

sity

, a. u

.

Ram

an in

360340320300280260240Raman shift, cm -1

Ram

an in

360340320300280260240Raman shift, cm -1

Ram

an in

360340320300280260240Raman shift, cm -1

Page 54: Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? y ypnanosystemy.upol.cz/upload/11/kalbac.pdf · 2010-10-12 · Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? Martin Kalbáč

In-situ spectroelectrochemistry

The change of potential

The change of potential

The change of electronic stateThe change of electronic state

The change of spectra

The change of spectra

Methods Materials

EPR UV-Vis-NIR

conducting polymersmonomers, oligomersUV Vis NIR

RamanFTIR

fullerenesCNT peapodspeapods

Page 55: Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? y ypnanosystemy.upol.cz/upload/11/kalbac.pdf · 2010-10-12 · Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? Martin Kalbáč

In-situ electrochemical doping of SWCNTanodic/cathodic= extraction/insertion of e-

OCPAn1An2OCPCat1Cat2

Fermi level

Fermi levelFermi level

Fermi level

Fermi level

Fermi level

Electrode

Page 56: Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? y ypnanosystemy.upol.cz/upload/11/kalbac.pdf · 2010-10-12 · Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? Martin Kalbáč

Vis-NIR spectra on ITO electrode of SWCNT(0 2 M LiClO + acetonitrile)(0.2 M LiClO4 + acetonitrile)

0.50

0.45

0.50

0.45

0.50

0.45

0.50

0.45

0.50

0.45

0.50

0.45

0.50

0.45

0.50

0.45

0.50

0.45CE WE

RE

0.0

0.5

1.0

1.5

Ener

gy, e

V

0.40

0.35

bsor

banc

e (A

) 0.40

0.35

bsor

banc

e (A

) 0.40

0.35

bsor

banc

e (A

) 0.40

0.35

bsor

banc

e (A

) 0.40

0.35

bsor

banc

e (A

) 0.40

0.35

bsor

banc

e (A

) 0.40

0.35

bsor

banc

e (A

) 0.40

0.35

bsor

banc

e (A

) 0.40

0.35

bsor

banc

e (A

)

hv -1.5

-1.0

-0.5

DOS

0.30

0.25

A

0.30

0.25

A

0.30

0.25

A

0.30

0.25

A

0.30

0.25

A

0.30

0.25

A

0.30

0.25

A

0.30

0.25

A

0.30

0.25

A

ITOsample 0.0

0.5

1.0

1.5

Ene

rgy,

eV

0.20

4.03.53.02.52.01.51.00.5Energy, eV

0.20

4.03.53.02.52.01.51.00.5Energy, eV

0.20

4.03.53.02.52.01.51.00.5Energy, eV

0.20

4.03.53.02.52.01.51.00.5Energy, eV

0.20

4.03.53.02.52.01.51.00.5Energy, eV

0.20

4.03.53.02.52.01.51.00.5Energy, eV

0.20

4.03.53.02.52.01.51.00.5Energy, eV

0.20

4.03.53.02.52.01.51.00.5Energy, eV

0.20

4.03.53.02.52.01.51.00.5Energy, eV

-1.5

-1.0

-0.5

DOS

E = 0.0VE = 0.2VE = 0.4VE = 0.6VE = 0.8VE = 1.0VE = 1.2VE = 1.4VE = 1.6V

Page 57: Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? y ypnanosystemy.upol.cz/upload/11/kalbac.pdf · 2010-10-12 · Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? Martin Kalbáč

Raman spectra of SWCNT hv = 2 54 eVRaman spectra of SWCNT, hvexc= 2.54 eV(0.2 M LiClO4 + acetonitrile)

cI

Spectroelectrochemical cell

x40+ 1.25 V

2))(( γγ iEEEiEE

IiiphLiiL −−+−−

=

RE (A /A Cl) N -inlet2

N -outlet2

y, a

. u.

sity

, a. u

.

RE (Ag/AgCl)CE (Pt)

Electrolyte solution

N inlet2

Ram

an in

tens

ity

an in

tens

Electrolyte solutionPyrex window

WE 1640160015601520

Ram

240220200180160140

-1.75 V

(vs. Fc/Fc+)WE 1640160015601520240220200180160140

Raman shift, cm -1

Page 58: Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? y ypnanosystemy.upol.cz/upload/11/kalbac.pdf · 2010-10-12 · Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? Martin Kalbáč

Raman spectra of DWCNT, hvexc= 1.83 eV(0.2 M LiClO4 + acetonitrile)

0.9 V

1.2 V

1.5 V

nsity

, a. u

.

0 V

0.3 V

0.6 V

0.9 VR

aman

inte

n 0 V

-0.3 V

-0.6 V

-0.9 V

-1.2 V

-1.5 V

350300250200150100Raman shift, cm -1

M. Kalbáč, L. Kavan, M. Zukalová and L. Dunsch: Adv. Funct. Mater., 15, 418-426, (2005).

Page 59: Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? y ypnanosystemy.upol.cz/upload/11/kalbac.pdf · 2010-10-12 · Uhlíkové nanostruktury-materiály pro budoucnost? Martin Kalbáč

THANK YOU !!!

• GACR-DFG

Financial support:

• GA AV• MSMT-USA

K k

1) M Kalbac L Kavan L Dunsch and M S Dresselhaus Nanoletters 8 1257 1264 (2008)

[email protected]:

1) M. Kalbac, L. Kavan, L. Dunsch and M.S. Dresselhaus. Nanoletters, 8, 1257-1264 (2008).2) M. Kalbac, L. Kavan, M. Zukalová and L. Dunsch. Chemistry - A Eur. J., 14, 6231-6236 (2008).3) M. Kalbac, L. Kavan, L. Dunsch. J. Phys. Chem C. 112(43), 16759-16763 (2008).4) M. Kalbac, H. Farhat, L. Kavan, J. Kong, M.S. Dresselhaus. Nanoletters, 8 (10), 3532-3537 (2008).5) M. Kalbac, L. Kavan, L. Dunsch. J. Phys. Chem C. 113(4), 1340-1345 (2009).6) M. Kalbac, L. Kavan, H. Farhat, J. Kong, M.S. Dresselhaus. J. Phys. Chem C. 113(5), 1751-1757 (2009).) , , , g, y ( ), ( )7) M. Kalbac, L. Kavan, L. Dunsch: J. Am. Chem. Soc. 131(12) 4529-4534, (2009).8) M. Kalbac, H. Farhat, L. Kavan, J. Kong, K. Sasaki, R.Saito and M. S. Dresselhaus. ACS Nano, 3 (8), 2320-2328 (2009).9) M. Kalbac, A. A. Green, M. C. Hersam, and L. Kavan. ACS Nano, 4 (1), 459-469 (2010). 10) M. Kalbac, V. Zólyomi, Á. Rusznyák, J. Koltai, J. Kürti and L. Kavan. J. Phys. Chem C. 114, 25015-2511 (2010).