Komplex szénszerkezetek spektroszkópiai jellemzése

Méret: px

Mutatás kezdődik a ... oldaltól:

Download "Komplex szénszerkezetek spektroszkópiai jellemzése"

Barnabás Szilágyi
5 évvel ezelőtt
Látták:

1 Komplex szénszerkezetek spektroszkópiai jellemzése Kamarás Katalin MTA Wigner FK SZFI március 28. 1/40

Folyamatmérnöki Tanszék Raman-spektroszkópia

2 Wigner Fizikai Kutatóközpont SZFI Szerkezetkutató Laboratórium FIR/MIR MIR/NIR Fotolumineszcencia Együttműködések: Mintakészítés BME Kémiai és Környezeti Folyamatmérnöki Tanszék Raman-spektroszkópia Wigner FK, ELTE Ásványtani Tsz., ELTE Kémiai Intézet, WMI Garching Transzmissziós elektronmikroszkópia University of Nottingham, UK Közeli tér/snom március 28. 2/40

3 Komplex szénszerkezetek spektroszkópiai jellemzése Bevezetés Nanocsőbe zárt grafén nanoszalagok Nanocsövek nanoskálán március 28. 3/40

4 Szén nanoszerkezetek A. Geim, K.S. Novoselov: Nat. Mater. 6, 183 (2007) Fullerének Nanocsövek Grafén, grafit március 28. 4/40

5 A szén hibridizációja: sp március 28. 5/40

6 Szén szén kötések: etán március 28. 6/40

7 Szén szén kötések: etilén március 28. 7/40

8 Benzol molekulapályái március 28. 8/40

9 Benzol mágneses térben március 28. 9/40

10 [18] annulén március /40

11 Grafit március /40

kölcsönhatás, rövid hatótávolság elektrosztatikus, de töltésátvitel

12 van der Waals kölcsönhatás dipól - dipól (Keesom) dipól indukált dipól (Debye) indukált dipól indukált dipól (London) másodrendű kölcsönhatás, rövid hatótávolság elektrosztatikus, de töltésátvitel nélkül március /40

13 π π kölcsönhatás március /40

14 π π kölcsönhatás nagyobb aromás gyűrűkben C.A. Hunter, J.K.M. Sanders: JACS 112, 5525 (1990) Kristályszerkezetek [18] annulén kekulén március /40

15 Grafit rétegszerkezet ABA (Bernal) március /40

16 Komplex szénszerkezetek spektroszkópiai jellemzése Bevezetés Nanocsőbe zárt grafén nanoszalagok Nanocsövek nanoskálán március /40

17 Hibrid anyagok szerves és szervetlen alkotórészek (az elemi szén szervetlen!) Class I: gyenge kölcsönhatás az alkotórészek között (van der Waals, π-π) nanocsövek kiemelkedő tulajdonságai: mechanikai stabilitás elektromos vezetőképesség szerves komponens: szelektivitás funkció D. Eder: Chem. Rev. 110, 1348 (2010) borsó adszorbeált szerves komponens Nanokonténer nanoméretű reakciótartály instabil, toxikus molekulák csomagolása Nanohordozó oldhatóság növelése ragasztóanyag Funkcionális egységek beépítése március /40

Töltött nanocsövek ( borsók ) Gázfázisú töltés C 60 ~375 C on

Hertel: PRL 90, 095501 (2003) adszorpció a nanocsövek felületén 325

diffúziója több különböző bejutást lehetővé tévő hely és útvonal

tartományba kell esnie, ez ~400 Con valósul meg A.N. Khlobystov, D.

18 Töltött nanocsövek ( borsók ) Gázfázisú töltés C 60 ~375 C on szublimál H. Ulbricht, G. Moos, T. Hertel: PRL 90, (2003) adszorpció a nanocsövek felületén 325 C fölötti hőmérsékleten lehetővé válik az adszorbeált fullerének diffúziója több különböző bejutást lehetővé tévő hely és útvonal valószínűsíthető C 60 molekuláksebességénekaz m/s közötti tartományba kell esnie, ez ~400 Con valósul meg A.N. Khlobystov, D.A. Britz, J. Wang, S.A. O Neil, M. Poliakoff, G.A.D. Briggs: J. Mater. Chem. 14, 2852 (2004) március /40

C, 3 nap A.N. Khlobystov, D.A. Britz, J.

19 Nanocsőtöltés szuperkritikus CO 2 közegből Nanoextrakció etanolos oldatból M. Yudasaka, K. Ajima, K. Suenaga, T. Ichihashi, A. Hashimoto, S. Iijima: Chem. Phys. Lett. 380, 42 (2003) Székely Edit 130 bar, 50 C, 3 nap A.N. Khlobystov, D.A. Britz, J. Wang, S.A. O Neil, M. Poliakoff, G.A.D. Briggs: J. Mater. Chem. 14, 2852 (2004) Á. Botos, A.N. Khlobystov, B. Botka, R. Hackl, E. Székely, B. Simándi, K. Kamarás: Phys. Stat. Sol. (b) 247, (2010) március /40

20 Fénykibocsátás bezárt rendszerekben EU ITN FINELUMEN március /40

21 Motiváció: Bezárt molekulák fluoreszcenciája Botka Bea T. Okazaki, Y. Iizumi, S. Okubo, H. Kataura, Z. Liu, K. Suenaga, Y. Tahara, S. Okada, S. Iijima: Angew. Chem. Int. Ed. 50, 4853 (2011) Azonos Ramanspektrum! A.V. Talyzin, I.V. Anoshkin, A.V. Krasheninnikov, R.M. Nieminen, A.G. Nasibulin, H. Jian, E.I. Kauppinen: Nano Lett. 11, 4352 (2011) március /40

22 Koronén termikus dimerizáció normalized intensity (a.u.) P2 SWNT (exc.: 531 nm) coronene+ P2 SWNT (exc.: 531 nm) coronene (exc.: 1064 nm) dicoronylene (exc.: 488 nm) Raman shift (cm -1 ) március /40

Koronén@SWNT: reakcióhőmérséklet hatása 450 ºC 385 ºC 50 ºC 50

(szuszpenzió) J. Xiao, H. Yang, Z. Yin, J. Guo, F. Boey, H.

23 reakcióhőmérséklet hatása 450 ºC 385 ºC 50 ºC 50 ºC 385 ºC 450 ºC koronén nanodrót (oszlop) Raman (szilárd) PL (szuszpenzió) J. Xiao, H. Yang, Z. Yin, J. Guo, F. Boey, H. Zhang, Q. Zhang: J. Mater. Chem. 21, 1423 (2011) március /40

24 Reakciók nanocsövek belsejében alacsony hőmérsékleten töltött nanocsövek: nincs mellékreakció adszorbeált molekulákon felület toluollal lemosható adszorbeált molekulák nem takarják el a cső belsejét Andrei Khlobystov Megállítható a folyamat a nanoszalagok képződésénél? március /40

Lehetséges nanoszalag termékek Számított elektrongerjesztési energiák (ev) koronén 4.69 dikoronilén 2.96 trimer 2.60 tetramer 2.42 Hosszabb oligomerek: vöröseltolódás M. Fujihara, Y. Miyata, R.

25 Lehetséges nanoszalag termékek Számított elektrongerjesztési energiák (ev) koronén 4.69 dikoronilén 2.96 trimer 2.60 tetramer 2.42 Hosszabb oligomerek: vöröseltolódás M. Fujihara, Y. Miyata, R. Kitaura, Y. Nishimura, C. Camacho, S. Irle, Y. Iizumi, T. Okazaki, H. Shinohara: J. Phys. Chem. C 116, (2012) H.E. Lim, Y. Miyata, M. Fujihara, S. Okada, Z. Liu, Arifin, K. Sato, H. Omachii, R. Kitaura, Y. Nishimura, C. Camacho, S. Irle, Y. Iizumi, T. Okazaki, H. Shinohara: J. Phys. Chem. C 116, (2015) H.E. Lim, Y. Miyata, R. Kitaura, Y. Nishimura, Y, Nishimoto, S. Irle, J. H. Warner, H. Kataura, H. Shinohara: Nat. Commun. 4, 2548 (2013) március /40

26 Reakciók követése Raman spektroszkópiával 700, 900 ºC: nanoszalagok rezonáns erősödése 1250 ºC: duplafalú nanocsövek képződése március /40

27 Komplex szénszerkezetek spektroszkópiai jellemzése Bevezetés Nanocsőbe zárt grafén nanoszalagok Nanocsövek nanoskálán március /40

28 A kisebb méret felé... Optikai mikroszkóp Távoli tér: Diffrakciós limit ~ λ/2 laterális felbontás Infravörös: ~ 5 μm, Raman: ~ 200 nm Közeli terű infravörös képalkotás Neaspec_NeaSNOM_sSNOM_ANSOM_principle.flv Németh Gergely Datz Dániel Tóháti Hajnalka Pekker Áron március /40

29 Felbontóképesség klasszikus- és SNOM mikroszkópiában Δ fém bevonatú optikai szál -T drasztikusan csökken Javítás: csökkentés -problémák -optika -nagyobb energia -> minta károsodás Pl Transzmisszió 10 Legjobb: Δ március /40

s-snom nagy vonalakban AFM-tű pásztázás -optikai és mechanikai információ Lézernyaláb fókuszálás Tű -hegynél optikai közeltér -néhány nm folt Közelítés minta/közeltér kölcsönhatás

30 s-snom nagy vonalakban AFM-tű pásztázás -optikai és mechanikai információ Lézernyaláb fókuszálás Tű -hegynél optikai közeltér -néhány nm folt Közelítés minta/közeltér kölcsönhatás Szórt fény információ a lokális optikai tulajdonságokról Beeső fény p-polarizáció (tengely irányú) március /40

31 s-snom modell Pont-dipól modell: az AFM tűt egy, a tű hegyébe beírt gömb helyettesíti. További közelítés: E i beeső elektromos tér által a gömbben indukált dipólusmomentumot egy pont-dipólusmomentum helyettesít a gömb közepében. 4 1 / 2 tükör dipólus a mintán belül (párhuzamos a tű pont-dipólusával) 1 / március /40

Véges dipól (monopólus modell) Tű: nyújtott tökéletes vezető szféroid (forgási ellipszoid) Elektrosztatikus eset: 9 8 E s E m -jó közelítés ha két ponttöltés D<<L és 0.01<R/L<0.

32 Véges dipól (monopólus modell) Tű: nyújtott tökéletes vezető szféroid (forgási ellipszoid) Elektrosztatikus eset: 9 8 E s E m -jó közelítés ha két ponttöltés D<<L és 0.01<R/L<0.2 -ez általában igaz a SNOM tűkre -a Q töltés hatása elhanyagolható Tükörtöltés: Ez visszahat a tűre E s /E D/R március 28. E dp 32/40

33 Közeltér optikai jel mérése Nano-Optics and Near-Field Optical Microscopy, A. Zayats and D. Richards, Ed. Topográfia (20 nm magas Au strukturák) S1 (erős visszamaradó háttérszórás) S3 (tiszta közeli tér kép) március /40

34 Anyagspecifikus optikai kontraszt március /40

Németh, D. Datz, H.M. Tóháti, Á. Pekker, K. Kamarás: Phys. Stat. Sol.

35 Fémes és félvezető szén nanocsőkötegek megkülönböztetése AFM topográfia 1,2 azonos optikai fáziskontraszt 1 (félvezető) eltűnik 1 félvezető 2 fémes Si szubsztráton G. Németh, D. Datz, H.M. Tóháti, Á. Pekker, K. Kamarás: Phys. Stat. Sol. (b) 253, 2413 (2016) Térbeli felbontás ~ 20 nm megvilágító fény hullámhossza ~ 10 μm március /40

36 Analitikus számolások SWCNT komplex dielektromos függvénye Kramers-Kronig analízisből [3] d=6 nm kötegek harmadik harmonikus fázisa Fázis a Si szubsztrátra normálva [3]: H. M. Tóháti, Á. Pekker, B. Á. Pataki, Z. Szekrényes, and K. Kamarás, Eur. Phys. J. B 87, (2014) március /40

7 nm (smaller) (diameter) The phase responses are similar to what we got on bundles The biggest semiconducting tube (2.

37 Egyedi szén nanocsövek Shigeo Maruyama Near-field phase The two metallic (blue arrow) candidates give the highest phase response These two CNTs are approximately 3nm (bigger) and 1.7 nm (smaller) (diameter) The phase responses are similar to what we got on bundles The biggest semiconducting tube (2.5 nm) (red arrow) has lower phase signal than the smallest metallic one This tells us that all tubes which have lower phase contrast than the 1.7 nm metallic cnt are semiconducting cnts március /40

38 Egyedi szén nanocsövek - frekvenciafüggés Németh Gergely március /40

Köszönetnyilvánítás Székely Edit Simándi Béla Utczás Margita BME VBK Kémiai és Környezeti

Áron MSc hallgatók Botos Ákos Horváth Judit Nagy Beáta Szabados Bence Szám Anita PhD

Katalin Szekrényes Zsolt Tóháti Hajnalka Együttműködés Pekker Sándor Kováts Éva Földes

ELTE Rudi Hackl WMI Garching Andrei Khlobystov Thomas W. Chamberlain Graham A.

39 Köszönetnyilvánítás Székely Edit Simándi Béla Utczás Margita BME VBK Kémiai és Környezeti Folyamatmérnöki Tanszék Posztdoktorok Borondics Ferenc Klupp Gyöngyi Matus Péter Pekker Áron MSc hallgatók Botos Ákos Horváth Judit Nagy Beáta Szabados Bence Szám Anita PhD hallgatók Botka Bea Datz Dániel Füstös Melinda Kocsis Dorina Németh Gergely Németh Katalin Szekrényes Zsolt Tóháti Hajnalka Együttműködés Pekker Sándor Kováts Éva Földes Dávid Veres Miklós Gál Tibor Sepsi Örs Koppa Pál BME TTK Atomfizika Tanszék Váczi Tamás ELTE Rudi Hackl WMI Garching Andrei Khlobystov Thomas W. Chamberlain Graham A. Rance Kate Walker U Nottingham Keigo Otsuka Taiki Inoue Shigeo Maruyama University of Tokyo március /40

40 It s a lot of fun! március /40

Hasonló dokumentumok

Spektroszkópia és mikroszkópia szén nanoszerkezeteken

Spektroszkópia és mikroszkópia szén nanoszerkezeteken Kamarás Katalin MTA Wigner FK kamaras.katalin@wigner.mta.hu 2013. október 21. 1/31 Műszerek FIR/MIR Közeli tér/snom MIR/NIR Együttműködések: Mintakészítés