Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 7326

Photolumineszenzspektroskopie an Kohlenstoffnanoröhren und Entwicklung von Trennungsmethoden

Katharina Arnold

Zusammenfassung
Im Rahmen dieser Arbeit wurden die elektronischen Eigenschaften individualisierter Kohlenstoffnanoröhren mit Hilfe der Photolumineszenzspektroskopie untersucht. Kohlenstoffnanoröhren sind quasi-eindimensionale Moleküle, bestehend aus einer oder mehreren Graphitebenen, die zu einem Zylinder aufgerollt sind. Ihre Eigenschaften werden in erster Näherung von Graphit hergeleitet. Einwandige Kohlenstoffnanoröhren kommen in unterschiedlichen Strukturvarianten vor und sind dadurch entweder halbleitend oder metallisch. Halbleitende Kohlenstoffnanoröhren photolumineszieren im nahen infraroten Wellenlängenbereich.

Für die Untersuchungen der elektronischen Struktur von Kohlenstoffnanoröhren wurde eigens ein FTIR-Photolumineszenzspektrometer und ein NIR-Photolumineszenz-Lasermikroskop für ein 2D-Photolumineszenzverfahren entwickelt und aufgebaut. Mit Hilfe dieser Techniken wurde unter anderem untersucht, wie sich die elektronischen Eigenschaften halbleitender Kohlenstoffnanoröhren unter mechanischer Belastung verändern. Hierzu wurden Hochdruckexperimente an wässrigen Dispersionen aus Kohlenstoffnanoröhren in einer Diamantdruckzelle durchgeführt (bis 10 kbar). Ebenfalls wurde die Photolumineszenz von Kohlenstoffnanoröhren in gefrorenen wässrigen Dispersionen (Matrix) bei Abkühlung untersucht, welche aufgrund eines thermomechanischen Effekts eine mechanische Belastung von ca. 5 GPa erfahren. Die Druckexperimente an dispergierten Nanoröhren sind in guter Übereinstimmung mit Tight-Binding-Berechnungen. Photolumineszenzuntersuchungen an bisher nicht identifizierten Photolumineszenzsatelliten, an doppelwandigen Kohlenstoffnanoröhren, sowie die Zuordnung der elektronischen Übergänge aus höheren Anregungsbereichen, tragen zur Aufklärung der komplizierten elektronischen Struktur von Kohlenstoffnanoröhren bei.

Im Rahmen dieser Dissertation wurde der ultraschallinduzierte Schneideprozess anhand eines hydrodynamischen Schneidemodells auf Basis der Kavitation aufgeklärt. Intensive Ultraschallbehandlungen, die allgemein zur Präparation von Suspensionen mit individualisierten Kohlenstoffnanoröhren verwendet werden, kürzen die Röhren in kleine, bisher nicht in ihrer Länge kontrollierbare Stücke. Zur experimentellen Untersuchung des theoretischen Modells wurde ein Längenseparationsverfahren mit Hilfe chromatographischer Methoden entwickelt und optimiert.

Photoluminescence spectroscopy of carbon nanotubes and development of separation methods

Abstract
In this work the electronic properties of individualized carbon nanotubes were investigated using photoluminescence spectroscopy. Carbon nanotubes are quasi one dimensional structures rolled up of one or several graphene sheets. Depending on their geometrical formation they have either semiconducting or metallic character. Carbon nanotubes show photon emission in the near infra red wavelength range.

In order to analyse the electronic structure of carbon nanotubes a FTIRphotoluminescence spectrometer and a NIR photoluminescence laser microscope for 2Dphotoluminescence methods were developed and constructed. Using these techniques, strain induced changes in the electronic properties of carbon nanotubes were observed. In order to do this, high pressure measurements of carbon nanotube dispersions using a diamond anvil cell were performed (~ 10 kbar). Photoluminescence experiments have also been carried out by cooling down a frozen aqueous carbon nanotube dispersions (matrix). As a result of a thermomechanical effect, the ice matrix induces a strain up to 5 GPa. These pressure experiments are in good agreement with tight-binding calculations. Photoluminescence measurements of emission satellites, of double walled carbon nanotubes and the assignment of higher electronically transition energies clarifies the complicated electronic structure of carbon nanotubes.

In this theses the ultrasonic induced scission process of carbon nanotubes was investigated by means of an hydro-dynamical scission model based on cavitation. Intense ultrasonic treatment is generally used to prepare individualized carbon nanotube suspensions. This method also cuts the tubes into nanotube pieces of different lengths. In order to compare the theoretical model with experiments a size exclusion chromatographic method was developed and optimized.

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