[发明专利]利用单一激光线测定单壁碳纳米管激子跃迁能量的方法

说明书

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卷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。

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。

附图说明

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。