臺灣博碩士論文加值系統

單層奈米碳管的電性與其螺旋性有關，所以我們利用三種不同方式的拉曼散射實驗，來探討單層奈米碳管的電性。
首先，我們使用不同波長的雷射光，在室溫下對單層及多層奈米碳管作顯微共振拉曼散射實驗。由徑向振動呼吸模(RBM-mode)之位置，換算奈米碳管的管徑，利用其Stokes和anti-Stokes的相對強度比值，計算出電子的躍遷能量(electronic transition energy)，與金屬性或半導體性的奈米碳管一維電子狀態密度分裂之能量差作比較，可判斷奈米碳管之電性。再與H. Kataura等人利用石墨層區域摺疊(zone-folding)方法，繪製出的奈米碳管能隙圖作比較，得到相符的電性結果。
同時我們也探討奈米碳管G-mode及二階、三階的拉曼振動模之位置、半高寬及相對強度，隨不同入射光能量的變化，藉此了解單層奈米碳管的電子結構性質。
最後，我們在低溫(10 K∼300 K)下對單層及多層奈米碳管作巨觀拉曼散射實驗，探討奈米碳管主要的振動模位置及半高寬隨溫度的變化。我們發現半導體性的奈米碳管之RBM-mode位置隨溫度降低會往高頻移動，半高寬則會變小，但金屬性的奈米碳管的位置及半高寬則幾乎不隨溫度改變。我們並以光學聲子非簡諧振盪效應(optical phonon anharmonic effects)來擬合奈米碳管主要振動模之位置及半高寬隨溫度變化的關係。

We report excitation wavelength and temperature dependences of Raman spectra in single-wall carbon nanotubes (SWNTs). Resonance excitation profiles of the radial A1g breathing mode (RBM) give a complete information of the diameter distribution (0.8∼2.2 nm). Additionally, the Stokes and anti-Stokes Raman scattering intensities of the RBM modes show a different resonantly enhanced behavior, from which we determine the electronic transition energy of individual SWNTs that is consistent with the electronic structure calculations. Moreover, the phonon frequency increases and line-width narrows with decreasing temperature observed only in the semi-conducting nanotubes. This temperature dependence is well described in terms of the phonon self-energy corresponding to two-phonon anharmonic processes.

中文摘要 …………………………………………………………… i
英文摘要 …………………………………………………………… ii
誌謝 ………………………………………………………………… iii
目錄 ………………………………………………………………… iv
表目錄 ……………………………………………………………… vi
圖目錄 …………………………………………………………… viii
第一章 緒論 ……………………………………………………… 1
第二章 研究背景 ………………………………………………… 4
2-1 奈米碳管的結構 ………………………………………… 4
2-2 奈米碳管成長的方法 …………………………………… 6
第三章 拉曼散射光譜的基本原理與儀器設備 ………………… 8
3-1 拉曼散射原理 …………………………………………… 8
3-2 共振拉曼散射原理 ……………………………………… 11
3-3 拉曼光譜儀的工作原理 ………………………………… 12
3-4 拉曼光譜儀的裝置 ……………………………………… 19
第四章 文獻回顧 ………………………………………………… 22
4-1 奈米碳管之拉曼散射光譜 ……………………………… 22
4-2 單層奈米碳管之拉曼散射光譜研究 …………………… 24
第五章 實驗步驟 ………………………………………………… 32
5-1 單層奈米碳管的製程 …………………………………… 32
5-2 多層奈米碳管的製程 …………………………………… 35
5-3 拉曼散射光譜之測量與分析 …………………………… 36
第六章 實驗結果與討論 ………………………………………… 39
6-1 奈米碳管之微觀共振拉曼散射研究 …………………… 39
6-1-1 單層奈米碳管─RU ……………………………… 39
6-1-2 單層奈米碳管─HiPco …………………………… 48
6-1-3 多層奈米碳管 ……………………………………… 58
6-2 單層奈米碳管之Stokes和anti-Stokes拉曼散射研究 … 63
6-2-1 RBM-mode ………………………………………… 65
6-2-2 G-mode …………………………………………… 75
6-2-3 D-mode與2D-mode ……………………………… 79
6-3 奈米碳管之低溫巨觀拉曼散射研究 …………………… 81
6-3-1 單層奈米碳管─波長488.0 nm …………………… 82
6-3-2 單層奈米碳管─波長514.5 nm …………………… 88
6-3-3 單層奈米碳管─波長632.8 nm …………………… 94
6-3-4 多層奈米碳管 …………………………………… 100
第七章 結論與未來展望 ………………………………………… 104
參考文獻 …………………………………………………………… 106

[1] H. O. Pierson, Handbook of Carbon, Graphite, Diamond and Fullerence (Noyes Publications, New Jersey, 1993).
[2] T. W. Ebbesen, Carbon Nanotubes-Preparation and Properties (CRC Press, New York, 1997).
[3] S. Iijima, Nature 354, 56 (1991).
[4] S. Iijima and T. Ichihashi, Nature 363, 603 (1993).
[5] Y. Ando and S. Iijima, Jpn. J. Appl. Phys. 32, L107 (1993).
[6] R. Saito, G. Dresselhus, and M. S. Dresselhaus, Physical Properties of Carbon Nanotubes (Imperial College Press, London, 1998).
[7] N. Hamada, S. Sawada, and A. Oshiyama, Phys. Rev. Lett. 68, 1579 (1992).
[8] R. Saito, M. Fujita, G. Dresselhaus, and M. S. Dresselhaus, Appl. Phys. Lett. 60, 2204 (1992).
[9] J. W. G. Wildöer, L. C. Venema, A. G. Rinzler, R. E. Smalley, and C. Dekker, Nature 391, 59 (1998).
[10] C. V. Raman, Ind. J. Phys. 2, 387 (1928).
[11] S. Bandow, S. Asaka, Y. Saito, A. M. Rao, L. Grigorian, E. Richter, and P. C. Eklund, Phys. Rev. Lett. 80, 3779 (1998).
[12] Laurent Alvarez, Ariete Righi, Tony Guillard, Stéphane Rols, Eric Anglaret, Daniel Laplaze, and Jean-Louis Sauvajol, Chem. Phys. Lett. 316, 186 (2000).
[13] G. S. Duesberg, I. Loa, M. Burghard, K. Syassen, and S. Roth, Phys. Rev. Lett. 85, 25 (2000).
[14] Luc Henrard, Valentin N. Popov, and Angel Rubio, Phys. Rev. B. 64, 205403 (2001).
[15] W. S. Bacsa, D. Ugarte, T. Stockli, A. Chatelain, and W. A. DeHeer, Surf. Rev. Lett. 3, 857 (1996).
[16] A. M. Rao, E. Richter, Shunji Bandow, Bruce Chase, P. C. Eklund, K. A. Williams, S. Fang, K. R. Subbaswamy, M. Menon, A. Thess, R. E. Smalley, G. Dresselhaus, and M. S. Dresselhaus, Science 275, 5297 (1997).
[17] P. H. Tan, S. L. Zhang, K. T. Yue, F. M. Huang, Z. J. Shi, X. H. Zhou, and Z. N. Gu, J. Raman Spectrosc, 28, 369 (1997).
[18] R. Saito, T. Takeya, T. Kimura, G. Dresselhaus, and M. S. Dresselhaus, Phys. Rev. B. 57, 4145 (1998).
[19] M. L. Chapelle, S. Lefrant, C. Journet, W. Maser, P. Bernier, and A. Loiseau, Carbon, 36, 705 (1998).
[20] H. Kuzmany, B. Burger, A. Thess, and R. E. Shalley, Carbon, 36, 709 (1998).
[21] F. M. Huang, K. T. Yue, P. H. Tan, S. L. Zhang, Z. J. Shi, X. H. Zhou, and Z. N. Gu, J. Appl. Phys. 84, 4022 (1998).
[22] H. Jantoljak, U. Kuhlmann, C. Thomsen, S. Curran, S. Roth, W. Maser, C. Journet, and P. Bernier, Mol. Cryst. Liq. Cryst. Sci. Tec. C. 10, 1-4, 145 (1998).
[23] R. Saito, T. Takeya, T. Kimura, G. Dresselhaus, and M. S. Dresselhaus, Phys. Rev. B. 59, 2388 (1999).
[24] H. D. Sun, Z. K. Tang, J. Chen, and G. Li, Solid State Commun. 109, 365 (1999).
[25] H. N. Li, Y. B. Xu, H. Y. Li, P. M. He, and S. N. Bao, Acta Phys Sinica. 48, 273 (1999).
[26] V. N. Popov, V. E. Van Doren, and M. Balkanski, Phys. Rev. B. 59, 8355 (1999).
[27] P. H. Tan, Y. Tang, Y. M. Deng, F. Li, Y. L. Wei, and H. M. Cheng, Appl. Phys. Lett. 75, 1524 (1999).
[28] H. D. Sun, Z. K. Tang, J. Chen, and G. Li, Appl. Phys. A-Mat. Sci. Process. 69, 381 (1999).
[29] M. N. Iliev, A. P. Litvinchuk, S. Arepalli, P. Nikolaev, and C. D. Scott, Chem. Phys. Lett. 316, 217 (2000).
[30] C. Thomsen, Phys. Rev. B. 61, 4542 (2000).
[31] S. D. M. Brown, P. Corio, A. Marucci, M. S. Dresselhaus, M. A. Pimenta, and K. Kneipp, Phys. Rev. B. 61, R5137 (2000).
[32] S. D. M. Brown, P. Corio, A. Marucci, M. A. Pimenta, M. S. Dresselhaus, and G. Dresselhaus, Phys. Rev. B. 61, 7734 (2000).
[33] H. D. Li, K. T. Yue, Z. L. Lian, Y. Zhan, L. X. Zhou, S. L. Zhang, Z. J. Shi, Z. N. Gu, B. B. Liu, R. S. Yang, H. B. Yang, G. T. Zou, Y. Zhang, and S. Iijima, Appl. Phys. Lett. 76, 2053 (2000).
[34] M. S. Dresselhaus and P. C. Eklund, Advan. Phys. 49, 705 (2000).
[35] P. H. Tan, Y. Tang, C. Y. Hu, F. Li, Y. L. Wei, and H. M. Cheng, Phys. Rev. B. 62, 5186 (2000).
[36] H. H. Gommans, J. W. Alldredge, H. Tashiro, J. Park, J. Magnuson, and A. G. Rinzler, J. Appl. Phys. 88, 2509 (2000).
[37] A. Jorio, G. Dresselhaus, M. S. Dresselhaus, M. Souza, M. S. S. Dantas, M. A. Pimenta, A. M. Rao, R. Saito, C. Liu, and H. M. Cheng, Phys. Rev. Lett. 85, 2617 (2000).
[38] Z. H. Yu and L. E. Brus, J. Phys. Chem. A. 104, 10995 (2000).
[39] Z. H. Yu and L. E. Brus, J. Phys. Chem. B. 105, 1123 (2001).
[40] Y. F. Wang, X. W. Cao, S. F. Hu, Y. Y. Liu and G. X. Lan, Chem. Phys. Lett. 336, 47 (2001).
[41] A. G. Souza Filho, A. Jorio, A. K. Swan, M. S. Ünlü, B. B. Goldberg, R. Saito, J. H. Hafner, C. M. Lieber, M. A. Pimenta, G. Dresselhaus, and M. S. Dresselhaus, Phys. Rev. B. 65, 085417 (2001).
[42] V. N. Popov and L. Henrard, Phys. Rev. B. 63, 3407 (2001).
[43] Z. H. Yu and L. E. Brus, J. Phys. Chem. B. 105, 6831 (2001).
[44] S. D. M. Brown, A. Jorio, M. S. Dresselhaus, and G. Dresselhaus, Phys. Rev. B. 64, 3403 (2001).
[45] M. Yudasaka, H. Kataura, T. Ichihashi, L. C. Qin, S. Kar, and S. Iijima, NANO LETTERS 1, 487 (2001).
[46] T. R. Ravindran, B. R. Jackson, and J. V. Badding, Chem Mater 13, 4187 (2001).
[47] L. Henrard, V. N. Popov, and A. Rubio, Phys. Rev. B. 64, 5403 (2001).
[48] A. Jorio, A. G. Souza, G. Dresselhaus, M. S. Dresselhaus, A. Righi, F. M. Matinaga, M. S. S. Dantas, M. A. Pimenta, J. Mendes, Z. M. Li, Z. K. Tang, and R. Saito, Chem. Phys. Lett. 351, 27 (2002).
[49] A. G. Souza, A. Jorio, G. Dresselhaus, M. S. Dresselhaus, R. Saito, A. K. Swan, M. S. Unlu, B. B. Goldberg, J. H. Hafner, C. M. Lieber, and M. A. Pimenta, Phys. Rev. B. 65, 5404 (2002).
[50] R. Saito, A. Jorio, A. G. Souza, G. Dresselhaus, M. S. Dresselhaus, and M. A. Pimenta, Phys. Rev. Lett. 88, 7401 (2002).
[51] 陳永洲，國立中興大學物理研究所碩士論文，90年7月。
[52] I. W. Chiang, B. E. Brinson, A. Y. Huang, P. A. Willis, M. J. Bronikowski, J. L. Margrave, R. E. Smalley, and R. H. Hauge, J. Phys. Chem. B. 105, 8297 (2001).
[53] H. Kataura, Y. Kumazawa, Y. Maniwa, I. Umezu, S. Suzuki, Y. Ohtsuka, and Y. Achiba, Synth. Metals. 103, 2555 (1999).
[54] M. Balkanski, R. F. Wallis, and E. Haro, Phys. Rev. B. 28, 1928 (1983).
[55] M. A. Pimenta, A. Marucci, S. A. Empedocles, M. G. Bawendi, E. B. Hanlon, A. M. Rao, P. C. Eklund, R. E. Smalley, G. Dresselhaus, and M. S. Dresselhaus, Phys. Rev. B. 58, R16016 (1998).
[56] A. Kasuya, M. Sugano, T. Maeda, Y. Saito, K. Tohji, H. Takahashi, Y. Sasaki, M. Fukushima, Y. Nishina, and C. Horie, Phys. Rev. B. 57, 4999 (1998).
[57] J. C. Charlier and P. Lambin, Phys. Rev. B. 57, R15 037 (1998).
[58] C. T. White and J. W. Mintmire, Nature (London) 394, 29 (1998).
[59] Puspashree Mishra and K. P. Jain, Phys. Rev. B. 62, 14 790 (2000).
[60] T. W. Odom, J. L. Huang, P. Kim, and C. M. Lieber, Nature 391, 63 (1998).
[61] Z. K. Tang, L. Zhang, N. Wang, X. X. Zhang, G. H. Wen, G. D. Li, N. Wang, C. T. Chan, and P. Sheng, Science 292, 2462 (2001).