金属性单壁碳纳米管中金属管光学、电学性质的手性结构检测方案(激光拉曼光谱)

基于ERS的拉曼光谱的优势 基于电子拉曼散射谱的金属性单壁碳纳米管手性结构测定 撰者：张达奇 拉曼光谱是探测单壁碳纳米管性质的重要手段。通过G模的峰型判定碳管的导电性(金属或半导体)和通过RBM模的拉曼频移计算碳管管径，是碳管拉曼光谱的两大主要应用。但是要通过分析拉曼光谱精确获得碳管的手性指数(n，m) 仍然具有挑战，尤其是在仅有少波长激发的情况下。 北京大学化学与分子工程学院李彦教授-杨娟副教授团队利用实验中观察到的金属管两个电子拉曼散射峰(ERS)，发展了一种便捷、精确的金属管(n，m)指认方法。利用此方法，研究者可以只通过单一波长激发的拉曼光谱精确指认出金属管的(n，m)，从而进一步建立起金属管光学、电学性质的手性结构构赖性. 两个ERS峰的发现 实验中作者首先对悬空的单根金属管进行了透射光谱测试以确定其电子跃迁能(M；) 的数值。在同一根碳管的拉曼光谱中可以分辨出分别位于M11+和M的两个ERS峰(图1a)，这是首次对单根金属管两个ERS峰的报道。该峰源于金属管费米能级附件的电子对光生激子的非弹性散射作用，并在M；处发生共振增强(图1b)o 图1. (a)单根(13，7)碳管的拉曼光谱(红线：激发波长633 nm；绿线：激发波长532 nm)和透射光谱(黑线)。 (b)碳管的声子拉曼散射(紫色箭头)和电子拉曼散射(蓝色与红色箭头)过程示意图。 18种不同手性碳管M；数值的获得 基于以上发现，作者对不同(n，m)的碳管进行了测试。利用HORIBA Aramis拉曼光谱仪自动线mapping功能可以对悬挂于镂空沟槽上的管管进行有效的定位和光谱测试。实验中一共得到了18种不同(n，m)的M；数值，并拟合得到了定量关系式，为今后金属管指认提供了重要参考数据。 此外，作者收集了11个(12，9)碳管的数据，发现管束、积碳等因素对碳管拉曼光谱有较为显著的影响。统计获得的WRBM和M波动极差标示在图2b中。虽然M受环境影响较大，但是M的裂分值(即M11+-M1)受环境影响的变化仅有±4meV。 图2 (a) 2n+m=33金属管的拉曼光谱，激发波长633 nm。蓝色虚线表示对ERS峰的拟合。((b)通过ERS指认的18个金属管(红色数据点). 相比于现有的瑞利散射光谱、偏振吸收光谱、可调激光拉曼等适用于单根碳管测试的谱学方法，基于ERS的拉曼光谱拥有以下三大优势： 1 仪器需求简单，测试便捷 在该工作中，作者使用了HORIBA Aramis拉曼光谱仪，配备532nm、633nm、785nm三个最常见的激发波长，通过仪器全自动切换，即可测试得到1.4-2.3 eV范围内的跃迁能数值。类似的显微拉曼光谱仪还有HORIBA XploRA， LabRAMHR Evolution型光谱仪，均可以满足相关研究者的需求，测试不再依赖于复杂的仪器搭建和调试。 2 测试精度高 得益于HORIBA拉曼光谱仪的高分辨率和良好的噪声抑制水平， 通过ERS测定M；的误差仅为±1meV， 远优于常见的瑞利散射光谱等电子光谱学手段~10 meV的误差。 3 样品适用范围广 针对硅基底上、表面活性剂包裹的、管管中的碳管作者在实验中均能测试得到ERS峰。 图3(a)单根(12，9)碳管(黑线)及含有(12，9)碳管的管束(绿线)的拉曼光谱，激发波长633 nm。(b)同一根金属管在悬空部分(黑线)和硅基底上部分(红线)的拉曼光谱，激发波长633 nm。 >>>> HORIBA科学仪器事业部 结合旗下具有近200多年发展历史发 Jobin Yvon 光学光谱技术， HORIBA Scientific 致力于为科研及工业用户提供最先进的检测和分析工具及解决方案。如：光学光谱、分子光谱、元素分析、材料表征及表面分析等先进检测技术。今天HORIBA 的高品质科学仪器已经成为全球科研、各行业研发及质量控制的首选。