Оптическое поглощение

Оптические свойства однослойных УНТ определяются их уникальными электроннымисвойствами. Слой графена имеет 2D-размерность, а образованная из него нанотрубка является уже одномерной структурой, т.е. имеет 1D-размерность. Строение энергетических зон таких одномерных материалов имеет особенности, называемые особенностями (сингулярностями) Ван-Хова. Суть их состоит в том, что вследствие пространственных ограничений, накладываемых на волновую функцию в радиальном направлении, плотность энергетических состояний нанотрубки вблизи уровня Ферми вырождается из сплошного спектра в набор пиков, зеркально расположенными относительно данного уровня. Оптическое возбуждение может вызвать электронные переходы между этими энергетическими уровнями, что приведет к появлению максимумов в спектре оптического поглощения. Энергетическое положение максимумов

плотности электронных состояний (особенностей Ван-Хова) зависит от диаметра и хиральности УНТ, а такие характеристики максимумов, как амплитуда, полуширина и уровень базовой линии, характеризуют количест-

венное содержание в исследованном образце нанотрубок с конкретными свойствами и других углеродных примесей. Поэтому обработка оптических спектров поглощения в УФ-Вид-ближнем ИК-диапазоне спектра по спе-

циальному алгоритму позволяет определятькак количественное содержание нанотрубок в образце, так и характеристики этих нанотрубок. Оптическая абсорбционная спектроскопия является высокочувствительным и универсальным методом исследования углеродных наноматериалов, т.к. позволяет изучать их свойства как в твердотельном состоянии, так и в растворах.

Рис.3. Схематическое изображение плотности электронных состояний в металлических и полупроводниковых однослойных УНТ.

На рис. 3 схематически показана плотность электронных состояний для металлических и полупроводниковых однослойных УНТ. Такие схемы наглядно демонстрируют особенности Ван-Хова в этих нанотрубках

и дают возможность на основе теоретических расчетов интерпретировать оптические спектры.

Каждая пара пиков соответствует электронным переходам в УНТ с определенными индексами хиральности. В исследуемых образцах, как правило, имеются нанотрубки различной хиральности и длины, поэтому та-

кие переходы образуют характерные полосы поглощения. На энергетической шкале при увеличении энергии фотонов они располагаются в такой последовательности: S11, S22, M11, S33, S44, M22 и т.д.

Буквами S и M обозначаются переходы, соответственно, в полупроводниковых и металлических нанотрубках, а цифрами обозначены номера зон (пиков сингулярности), между которыми осуществляется переход.

Рис. 4. Спектр оптического поглощения очищенных однослойных УНТ.

Рис. 5. Графики Катауры.

На реальных спектрах четко разрешаются первые три полосы (см.рис. 14), а идентификация последующих полос требует специальной обработки спектров, т.к. они накладываются на полосы поглощения π -плазмонов, которые представляют собой коллективные продольные колебания π -электронов атомов углерода.

На реальном спектре, приведенном на (рис. 4), четко видны характеристические полосы поглощения УНТ для S11, S22 и M11 переходов, наложенные на т.н. базовый уровень, который обуславливается поглощением на примесях, плазмонах и др.

Интерпретацию спектров и идентификацию по ним свойств исследованных нанотрубок удобно выполнять с использованием графиков Катауры. Они представляют собой зависимость энергии переходов различного порядка от диаметра УНТ с различными индексами (n, m) хиральности. Подробнее о данном методе – см. список Литературы.