专利名称：利用单一激光线测定单壁碳纳米管激子跃迁能量的方法
技术领域：
本发明涉及纳米科学领域和光谱技术领域中如何快速确定材料电子 或激子跃迁的领域，具体是一种利用单一激光线测定单壁碳纳米管激子跃 迁能量的方法。
背景技术：
碳纳米管是由石墨烯片层巻曲而成的一种管状结构，是理想的一维材 料。碳纳米管的直径从零点五纳米一直变化到几纳米。相对于其它纳米材 料，碳纳米管具有很多独特的性质。由于碳纳米管是很好的一维系统并且 具有很好的有序性，成为基础科学研究的理想材料；同时由于碳纳米管为 实现纳米电子器件提供了可能，成为纳米电子器件材料的新宠。由于三分 之一的碳纳米管具有金属性，而另外三分之二的碳纳米管具有半导体性， 所以鉴别和确定碳纳米管的电学性质十分重要。由于碳纳米管所具有的一 维量子限制效应，碳纳米管的电子态密度具有一系列分立的尖峰，这些尖 点称为范霍夫奇点。由于碳纳米管的直径非常小，其光生电子和空穴都被 限制在非常小的尺度范围内，电子和空穴之间的强烈库仑相互作用使得电 子空穴对形成了激子。碳纳米管激子的激子束缚能非常大，从几十毫电子 伏特变化到一个电子伏特，这些激子束缚能与碳纳米管的直径，手性和介 电屏蔽等有关。因此，即使在常温的情况下，半导体碳纳米管的激子仍然 能稳定地存在。激子也就决定了半导体碳纳米管的光学性质，例如半导体 碳纳米管的发光是以激子发光为主，碳纳米管的共振拉曼光谱也是与碳纳 米管的激子跃迁能级发生共振。如何确定碳纳米管中的激子跃迁能级是碳 纳米管物理研究和器件应用中的一个非常重要的问题。在实验上，可以用 吸收光谱，光致荧光光谱，瑞利散射和可调谐共振拉曼光谱来探测碳纳米 管的电子或激子跃迁能级。但是，吸收光谱只适用于大量分离好的碳纳米 管溶液或碳纳米管薄膜，瑞利散射对样品有特殊要求，光致荧光光谱只能探测半导体型碳纳米管的带边能隙。
碳纳米管的拉曼光谱中一些低频模式与碳纳米管的径向振动密切相 关，此模式的所有碳原子在径向以相同相位振动，就像纳米管在呼吸一样， 故称之为径向呼吸模。在共振拉曼散射情况下，利用呼吸模不但可以测定 单根单壁碳纳米管的直径、螺旋指数、能隙和导电类型，还可以测定单壁 碳纳米管束的能隙和导电类型。因此碳纳米管径向呼吸模的共振拉曼光谱 被广泛地用来表征碳纳米管的各种性质，例如各种类型碳纳米管的激子跃 迁能量等。但是，要精确地确定碳纳米管激子跃迁能量的能量位置，必须 使用可调谐的激光器和特殊的拉曼光谱仪。可调谐激光器的造价非常昂 贵，可以实现可调谐共振拉曼测试的拉曼光谱仪也不多，因此实现可调谐 共振拉曼光谱的测试非常不易推广。因此，寻求一种只用单一激光线的简 单方法来测定单壁碳纳米管的能隙成为一个迫切需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用单一激光线就能确定单壁碳纳米管 的激子跃迁能量的方法，利用这种方法，可以在任何能做拉曼实验的实验
室利用单一的激光器，比如常用的He-Ne激光器、氩离子激光器、半导体 激光器，就能方便地测定单壁碳纳米管的激子跃迁能量。
本发明是利用单一激光线测定单壁碳纳米管激子跃迁能量的方法，其 特征在于，该方法包括
在单一激光线激发下，用拉曼光谱仪测量单壁碳纳米管呼吸模及其倍 频模的斯托克斯和反斯托克斯拉曼光谱；
用画图软件画出斯托克斯与反斯托克斯信号强度比与系统能级之间 的函数关系从所测得拉曼光谱中获得呼吸模及其倍频模的斯托克斯和反斯托克 斯拉曼信号的强度比值；
根据所获得的强度比值，从斯托克斯与反斯托克斯信号强度比与系统 能级之间的函数关系图中得出与呼吸模及其倍频模分别对应的四个能量 值；
从四个能量值中选取能量最为接近的两个能量的平均值，得到所测定单壁碳纳米管的激子跃迁能量。
其中，所述单一激光线为He-Ne激光器，或为氩离子激光器，或为半
导体激光器。
本发明的一种利用单一激光线测定单壁碳纳米管激子跃迁能量的方 法，解决了在确定单壁碳纳米管激子跃迁能量中遇到的需要昂贵的可调谐 激光器和特殊的光谱仪的问题，能够经济快速的确定单壁碳纳米管的激子 跃迁能，使得设计出具有更加新奇性能的纳米光电子器件成为可能，加快 了碳纳米管在纳米光电子器件的应用。
图1是单一激光线激发下碳纳米管束呼吸模斯托克斯和反斯托克斯线
的拉曼光谱；
图2是呼吸模频率为219波数及其倍频模437波数的斯托克斯线与反 斯托克斯线的强度比与碳纳米管激子跃迁能量的关系。
具体实施例方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实 施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
作为实例，我们在背散射配置下，用氦氖激光器波长为632.8nm (对 应激光能量为1.958电子伏特)的激光，光谱仪为法国JY公司的SuperLab 拉曼光谱仪测试单壁碳纳米管束的拉曼光谱，来具体说明如何利用单一激 光线测定单壁碳纳米管激子跃迁能量的方法。
为了避免样品被加热，我们所用的激光功率密度为10kw/cm2。样品的 测试温度T为300K。在这些条件下单壁碳纳米管的斯托克斯和反斯托克 斯拉曼光谱如图l所示。拉曼峰位为219波数的为碳纳米管的呼吸模，峰 位为437波数的为呼吸模的倍频模。这一步骤是为了得到单壁碳纳米管呼 吸模的拉曼光谱，为确定单壁碳纳米管的激子能量提供实验依据。
在通常情况下，斯托克斯信号的强度Is比反斯托克斯信号的强度Ias要强，强度比15/^(= 皿)为
",。,=d -五—)4 M。, -x ，(^ /v) (i)
式中表示激光的光子能量，表示声子的能量方CD，①为声子的波
数，^表示玻耳兹曼常数，T表示样品温度。图1中的反斯托克斯拉曼信
号的强度己经被乘以因子来进行布居校正。
在通常情况下，当反斯托克斯拉曼信号进行布居校正后，斯托克斯拉 曼信号与反斯托克斯拉曼信号的强度应该相等。但是在图1中，斯托克斯
拉曼信号与反斯托克斯拉曼信号的强度差别很大，这说明碳纳米管的系统 能级，即激子跃迁能量^^与反斯托克斯拉曼信号发生了更强的共振，从 而增强了反斯托克斯拉曼光谱的信号。在这种情况下，碳纳米管的斯托克 斯拉曼信号与布居校正后反斯托克斯拉曼信号的强度比^,为
"w, 7。.、.(五甲 一 五to + ￡- ) 2 + h2 Z4
式中^为阻尼因子，对碳纳米管通常取40毫电子伏特，其余各项与(1) 式含义相同。
上面的分析为碳纳米管呼吸模的斯托克斯信号和反斯托克斯信号与 激子跃迁能级间的函数关系提供理论依据。
下面给出对单壁碳纳米管激子跃迁能级的具体指认。
对于219波数的呼吸模(如图2虚线所示)和437波数的呼吸模倍频 模(如图2实线所示)，它们斯托克斯与反斯托克斯信号的强度比l,与 系统能级&,之间的函数关系如图2所示。其中图2的纵坐标为取以10为 底的对数坐标。对于每一个强度比，如图2中横线所示，将分别对应两个 系统能级。例如，219波数的呼吸模对应的可能系统能级为1.970电子伏 特和2.062电子伏特，437波数的呼吸模倍频模所对应的可能系统能级为 1.995电子伏特和2.052电子伏特。
但是，单壁碳纳米管靠近激光能量的系统能级只有一个。由于呼吸模 可能的能量2.062电子伏特更靠近呼吸模倍频模的数值2.052电子伏特， 我们判定它们的平均值2.057电子伏特为单壁碳纳米管的系统能级，即激 子跃迁能量。
至此己经结合优选实施例对本发明进行了描述。应该理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种其它的改 变、替换和添加。因此，本发明的范围不局限于上述特定实施例，而应由 所附权利要求所限定。
权利要求
1. 一种利用单一激光线测定单壁碳纳米管激子跃迁能量的方法，其特征在于，该方法包括在单一激光线激发下，用拉曼光谱仪测量单壁碳纳米管呼吸模及其倍频模的斯托克斯和反斯托克斯拉曼光谱；用画图软件画出斯托克斯与反斯托克斯信号强度比与系统能级之间的函数关系图；从所测得拉曼光谱中获得呼吸模及其倍频模的斯托克斯和反斯托克斯拉曼信号的强度比值；根据所获得的强度比值，从斯托克斯与反斯托克斯信号强度比与系统能级之间的函数关系图中得出与呼吸模及其倍频模分别对应的四个能量值；从四个能量值中选取能量最为接近的两个能量的平均值，得到所测定单壁碳纳米管的激子跃迁能量。
2. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述单一激光线为He-Ne 激光器。
3. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述单一激光线为氩离 子激光器。
4. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述单一激光线为半导 体激光器。
全文摘要
一种利用单一激光线测定单壁碳纳米管激子跃迁能量的方法，包括在单一激光线激发下，用拉曼光谱仪测量单壁碳纳米管呼吸模及其倍频模的斯托克斯和反斯托克斯拉曼光谱；画出斯托克斯与反斯托克斯信号强度比与系统能级之间的函数关系图；从所测得拉曼光谱中获得呼吸模及其倍频模的斯托克斯和反斯托克斯拉曼信号的强度比值；从斯托克斯与反斯托克斯信号强度比与系统能级之间的函数关系图中得出与呼吸模及其倍频模分别对应的四个能量值；选取其中能量最为接近的两个能量的平均值，得到所测定单壁碳纳米管的激子跃迁能量。本发明解决了在确定单壁碳纳米管激子跃迁能量中遇到的需要昂贵的可调谐激光器和特殊的光谱仪的问题。
文档编号G01R31/00GK101470153SQ20071030421
公开日2009年7月1日 申请日期2007年12月26日 优先权日2007年12月26日
发明者俊 张, 谭平恒, 赵伟杰 申请人:中国科学院半导体研究所