[論文レビュー] Double resonance Raman study of disorder in CVD-grown single-walled carbon nanotubes

Rahul Rao, Jason Reppert+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 22, 2010

Carbon Nanotubes in Composites参考文献 30被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、化学気相成長（CVD）法で成長させた単層カーボンナノチューブ（SWNTs）における不純物の影響を、複数励起ラマン分光法を用いて調査した。鉄触媒への硫黄ドーピング量を変化させることで、制御された格子不純物を誘導し、Dバンド強度が硫黄含有量の減少に伴って増加することを観察した。合成後アニール処理により、欠陥関連信号が低減し、二重共鳴ラマン過程のクエンチングによって欠陥の修復が確認された。

ABSTRACT

Single-walled carbon nanotubes (SWNTs) with varying degrees of disorder were investigated using multiple-excitation Raman spectroscopy. The lattice disorder was imparted into the nanotubes by the addition of varying amounts of sulfur to the iron catalyst in a thermal chemical vapor deposition process. Changes in the intensities of peaks occurring due to a double resonance Raman process were studied. The intensity of the disorder-induced D band increased with a decrease in the sulfur content. Upon post-synthesis heat treatment, the double resonance process got quenched due to defect healing. The second order G' band and iTOLA bands exhibited a two-peak structure, of which one of the peaks is relatively more sensitive to defects and decreased in intensity with heat treatment.

研究の動機と目的

• CVD法で成長させた単層カーボンナノチューブにおける制御された格子不純物の影響がラマン応答に与える影響を調査すること。
• 合成過程における鉄触媒への硫黄ドーピングがSWNTsにおける欠陥形成に与える影響を理解すること。
• 変化する欠陥濃度下での二重共鳴ラマン特徴、特にDバンドおよび第二準位G'バンドの変化を検討すること。
• 合成後熱処理が格子欠陥の修復および構造的秩序の回復にどの程度効果的であるかを評価すること。

提案手法

• 複数励起ラマン分光法を用いて、欠陥度合いが異なるSWNTsにおける二重共鳴ラマン過程を調査した。
• 熱的CVD成長中に鉄触媒に硫黄を導入することで、格子欠陥のレベルを体系的に調整した。
• Dバンドおよび第二準位G'バンドの強度と形状を分析するために、異なる励起エネルギーでラマンスペクトルを取得した。
• 欠陥の修復を評価するために、合成後アニール処理を施し、時間経過に伴うラマン特徴の変化をモニタリングした。
• DバンドおよびG'バンド成分の強度変化を、欠陥濃度および構造的秩序と関連付けた。
• 格子非調和性の中間遷移（iTOLA）バンドの構造的欠陥に対する感受性を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 鉄触媒への硫黄ドーピングは、CVD法で成長させたSWNTsにおける格子不純物度にどのように影響するか？
• RQ2 触媒中の硫黄含有量と、不純物誘発Dバンドの強度の関係は何か？
• RQ3 第二準位G'バンドおよびiTOLAバンドは、欠陥濃度の増加にどのように応答するか？
• RQ4 合成後熱処理により、SWNTsにおける欠陥関連ラマン信号はどの程度逆転可能か？
• RQ5 熱アニール後の構造的修復に対して、どのラマン特徴が最も感受性を示すか？

主な発見

• 触媒中の硫黄含有量が低下するにつれて、不純物誘発Dバンドの強度が増加し、低硫黄条件下での欠陥濃度が高くなることが示された。
• 合成後熱処理によりDバンド強度が顕著に低減し、構造的再配列による格子欠陥の修復が確認された。
• 第二準位G'バンドは二ピーク構造を示し、そのうちの一つの成分が欠陥に対してより感受性を示し、アニール後に強度が低下した。
• iTOLAバンドの強度変化も欠陥依存的であり、格子非調和性および不純物のプローブとしての役割を裏付けた。
• アニール後、二重共鳴ラマン過程が効果的にクエンチされたことから、ナノチューブ内の構造的秩序の回復が示された。
• 本結果は、硫黄ドーピングがCVD法で成長させたSWNTsにおける欠陥レベルを調整可能な方法であることを示し、ラマン分光法が欠陥ダイナミクスの感受性プローブとして有効であることを裏付けた。