[논문 리뷰] Double resonance Raman study of disorder in CVD-grown single-walled carbon nanotubes

Rahul Rao, Jason Reppert외 5명|arXiv (Cornell University)|2010. 10. 22.

Carbon Nanotubes in Composites참고 문헌 30인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 다중 흥(excitation) 라만 분광법을 사용하여 화학 기체 증착(CVD)으로 합성된 단일벽 탄소 나노튜브(SWNTs)의 결함을 조사한다. 철 촉매에 황 도핑 농도를 변화시켜 조절된 격자 결함을 유도하였으며, 황 농도가 감소함에 따라 D 밴드 강도가 증가하는 것을 관찰하였다. 또한, 합성 후 열처리를 통해 결함 관련 신호가 감소하여 이중 공명 라만 과정의 억제를 통한 결함 치유가 확인되었다.

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.

연구 동기 및 목표

• CVD로 합성된 단일벽 탄소 나노튜브의 라만 응답에 영향을 미치는 조절된 격자 결함의 영향을 조사하기 위해.
• 합성 중 SWNTs의 결함 형성에 영향을 미치는 철 촉매 내 황 도핑의 영향을 이해하기 위해.
• 다양한 결함 농도에서 이중 공명 라만 특성, 특히 D 밴드와 이阶 G' 밴드의 변화를 분석하기 위해.
• 합성 후 열처리가 격자 결함을 치유하고 구조적 질서를 복원하는 데 얼마나 효과적인지 평가하기 위해.

제안 방법

• 다양한 정도의 결함을 가진 SWNTs에서 이중 공명 라만 과정을 탐색하기 위해 다중 흥(excitation) 라만 분광법을 사용하였다.
• 열 CVD 성장 중 철 촉매에 황을 도핑하여 격자 결함 수준을 체계적으로 조절하였다.
• D 밴드와 이阶 G' 밴드의 강도 및 형상 분석을 위해 다양한 흥(excitation) 에너지에서 라만 스펙트럼을 측정하였다.
• 결함 치유 효과를 평가하기 위해 합성 후 열처리를 실시하였으며, 시간 경과에 따른 라만 특성 변화를 모니터링하였다.
• D 밴드 및 G' 밴드 성분의 강도 변화를 결함 농도와 구조적 질서와 연관지어 분석하였다.
• 격자 비조화성의 중간 전이(iTOLA) 밴드의 구조적 결함에 대한 민감도를 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 철 촉매에 도핑된 황이 CVD로 합성된 SWNTs의 격자 결함 정도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 촉매 내 황 농도와 결함 유도 D 밴드 강도 사이의 관계는 무엇인가?
• RQ3 이중 공명 라만 과정에서 이阶 G' 밴드와 iTOLA 밴드는 증가하는 결함 농도에 어떻게 반응하는가?
• RQ4 합성 후 열처리가 SWNTs의 결함 관련 라만 신호를 얼마나 복원할 수 있는가?
• RQ5 열처리 후 구조적 치유에 가장 민감하게 반응하는 라만 특성은 무엇인가?

주요 결과

• 촉매 내 황 농도가 감소함에 따라 결함 유도 D 밴드 강도가 증가하여 저황 조건에서 높은 결함 농도를 나타내었다.
• 합성 후 열처리로 D 밴드 강도가 크게 감소하여 구조 재조직을 통한 격자 결함 치유가 확인되었다.
• 이阶 G' 밴드는 이중 피크 구조를 보였으며, 한 성분은 결함에 더 민감하고 열처리 후 강도가 감소하였다.
• iTOLA 밴드 역시 결함에 따라 강도 변화를 보이며, 격자 비조화성과 결함의 탐지에 기여하는 것으로 확인되었다.
• 열처리 후 이중 공명 라만 과정이 효과적으로 억제되어 나노튜브 내 구조적 질서가 복원된 것으로 나타났다.
• 결과적으로 황 도핑은 CVD로 합성된 SWNTs의 결함 수준을 제어할 수 있는 조절 가능한 방법을 제공하며, 라만 분광법은 결함 역학을 민감하게 탐지할 수 있음을 보여주었다.