[發明專利]利用單一激光線測定單壁碳納米管激子躍遷能量的方法

無效

• 申請號: 200710304211.4
• 申請日: 2007-12-26
• 公開（公告）號: CN101470153A
• 公開（公告）日: 2009-07-01
• 發明（設計）人: 張俊;譚平恒;趙偉杰
• 申請（專利權）人: 中國科學院半導體研究所
• 主分類號: G01R31/00
• 分類號: G01R31/00;G01J3/44
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司
• 代理人: 周國城

技術領域

本發明涉及納米科學領域和光譜技術領域中如何快速確定材料電子或激子躍遷的領域，具體是一種利用單一激光線測定單壁碳納米管激子躍遷能量的方法。

背景技術

碳納米管是由石墨烯片層卷曲而成的一種管狀結構，是理想的一維材料。碳納米管的直徑從零點五納米一直變化到幾納米。相對于其它納米材料，碳納米管具有很多獨特的性質。由于碳納米管是很好的一維系統并且具有很好的有序性，成為基礎科學研究的理想材料；同時由于碳納米管為實現納米電子器件提供了可能，成為納米電子器件材料的新寵。由于三分之一的碳納米管具有金屬性，而另外三分之二的碳納米管具有半導體性，所以鑒別和確定碳納米管的電學性質十分重要。由于碳納米管所具有的一維量子限制效應，碳納米管的電子態密度具有一系列分立的尖峰，這些尖點稱為范霍夫奇點。由于碳納米管的直徑非常小，其光生電子和空穴都被限制在非常小的尺度范圍內，電子和空穴之間的強烈庫侖相互作用使得電子空穴對形成了激子。碳納米管激子的激子束縛能非常大，從幾十毫電子伏特變化到一個電子伏特，這些激子束縛能與碳納米管的直徑，手性和介電屏蔽等有關。因此，即使在常溫的情況下，半導體碳納米管的激子仍然能穩定地存在。激子也就決定了半導體碳納米管的光學性質，例如半導體碳納米管的發光是以激子發光為主，碳納米管的共振拉曼光譜也是與碳納米管的激子躍遷能級發生共振。如何確定碳納米管中的激子躍遷能級是碳納米管物理研究和器件應用中的一個非常重要的問題。在實驗上，可以用吸收光譜，光致熒光光譜，瑞利散射和可調諧共振拉曼光譜來探測碳納米管的電子或激子躍遷能級。但是，吸收光譜只適用于大量分離好的碳納米管溶液或碳納米管薄膜，瑞利散射對樣品有特殊要求，光致熒光光譜只能探測半導體型碳納米管的帶邊能隙。

碳納米管的拉曼光譜中一些低頻模式與碳納米管的徑向振動密切相關，此模式的所有碳原子在徑向以相同相位振動，就像納米管在呼吸一樣，故稱之為徑向呼吸模。在共振拉曼散射情況下，利用呼吸模不但可以測定單根單壁碳納米管的直徑、螺旋指數、能隙和導電類型，還可以測定單壁碳納米管束的能隙和導電類型。因此碳納米管徑向呼吸模的共振拉曼光譜被廣泛地用來表征碳納米管的各種性質，例如各種類型碳納米管的激子躍遷能量等。但是，要精確地確定碳納米管激子躍遷能量的能量位置，必須使用可調諧的激光器和特殊的拉曼光譜儀?？烧{諧激光器的造價非常昂貴，可以實現可調諧共振拉曼測試的拉曼光譜儀也不多，因此實現可調諧共振拉曼光譜的測試非常不易推廣。因此，尋求一種只用單一激光線的簡單方法來測定單壁碳納米管的能隙成為一個迫切需要解決的問題。

發明內容

本發明的目的在于提供一種利用單一激光線就能確定單壁碳納米管的激子躍遷能量的方法，利用這種方法，可以在任何能做拉曼實驗的實驗室利用單一的激光器，比如常用的He-Ne激光器、氬離子激光器、半導體激光器，就能方便地測定單壁碳納米管的激子躍遷能量。

本發明是利用單一激光線測定單壁碳納米管激子躍遷能量的方法，其特征在于，該方法包括：

在單一激光線激發下，用拉曼光譜儀測量單壁碳納米管呼吸模及其倍頻模的斯托克斯和反斯托克斯拉曼光譜；

用畫圖軟件畫出斯托克斯與反斯托克斯信號強度比與系統能級之間的函數關系圖；

從所測得拉曼光譜中獲得呼吸模及其倍頻模的斯托克斯和反斯托克斯拉曼信號的強度比值；

根據所獲得的強度比值，從斯托克斯與反斯托克斯信號強度比與系統能級之間的函數關系圖中得出與呼吸模及其倍頻模分別對應的四個能量值；

從四個能量值中選取能量最為接近的兩個能量的平均值，得到所測定單壁碳納米管的激子躍遷能量。

其中，所述單一激光線為He-Ne激光器，或為氬離子激光器，或為半導體激光器。

本發明的一種利用單一激光線測定單壁碳納米管激子躍遷能量的方法，解決了在確定單壁碳納米管激子躍遷能量中遇到的需要昂貴的可調諧激光器和特殊的光譜儀的問題，能夠經濟快速的確定單壁碳納米管的激子躍遷能，使得設計出具有更加新奇性能的納米光電子器件成為可能，加快了碳納米管在納米光電子器件的應用。

附圖說明

圖1是單一激光線激發下碳納米管束呼吸模斯托克斯和反斯托克斯線的拉曼光譜；

圖2是呼吸模頻率為219波數及其倍頻模437波數的斯托克斯線與反斯托克斯線的強度比與碳納米管激子躍遷能量的關系。

具體實施方式

為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明進一步詳細說明。