Analyse von einwandigen Kohlenstoffröhrchen

Einwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen sind neue Formen des Kohlenstoffes, die sich entweder aus einem großen aber langgezogenen Fulleren oder aus einer aufgerollten Graphitebene ableiten lassen. Typische Durchmesser der Röhrchen sind 1.5 nm während ihre Längen bis zu 104 mal größer sein kann. Wegen ihrer einmaligen Geometrie und wegen der speziellen Eigenschaften der Kohlenstoffbindung haben sie ein hohes Anwendungspotential bei Problemen der Nanomechanik und in der Nanoelektronik. Je nach Art der Aufrollung erhält man verschiedene Chiralität der Röhrchen. Die Röhrchen stellen exakt eindimensionale periodische Systeme dar. Wegen der Kleinheit des Röhrchendurchmessers sind die Wellenfunktionen der Elektronen in der xy Ebene des Graphens diskretisiert und in den elektronischen Zustandsdichten zeigen sich Divergenzen für jede der diskretisierten Wellen. Bei der Herstellung der Röhrchen treten immer Verteilungen von Röhrchen mit unterschiedlicher Chiralität und unterschiedlichen Durchmessern auf. In dem vorliegenden Forschungsprojekt sollen die strukturellen und elektronischen Eigenschaften der Röhrchen mit Hilfe von Raman Spektroskopie und Infrarotspektroskopie untersucht werden. Dies ist möglich, weil die Schwingungsfrequenzen ebenfalls diskretisiert sind und von der Chiralität und vom Durchmesser der Nanoröhrchen abhängen. Bei den Raman Experimenten spielt die photoselektive Resonanzstreuung eine entscheidende Rolle. Mit verschiedenen Laserenergien lassen sich Röhrchen mit unterschiedlicher Chiralität resonant anregen. Dies bedeutet, daß man auch dann Untersuchungen an einzelnen Röhrchen durchführen kann, wenn sie nicht isoliert sondern in einer Verteilung vorliegen. Aus dem gemessenen Raman Streuquerschnitt können Rückschlüsse auf die elektronische Struktur der verschiedenen Röhrchen gezogen werden. Die Untersuchungen sollen unter anderem dazu dienen, Röhrchen bestimmter Chiralität und mit bestimmtem Durchmesser selektiv herstellen zu können. Die Arbeiten werden in Kooperation mit einer Forschungsgruppe der Universität von North Carolina in USA und der Eötvös Universität in Budapest durchgeführt.

Einwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen sind neue Formen des Kohlenstoffes, die sich entweder aus einem großen aber langgezogenen Fulleren oder aus einer aufgerollten Graphitebene ableiten lassen. Typische Durchmesser der Röhrchen sind 1.35 nm während ihre Längen bis zu 104 mal größer sein kann. Wegen ihrer einmaligen Geometrie und wegen der speziellen Eigenschaften der Kohlenstoff-bindung haben sie ein hohes Anwendungspotential bei Problemen der Nanome-chanik und in der Nanoelektronik. Wegen der Kleinheit des Röhrchendurchmes-sers sind die Wellenfunktionen der Elektronen in der xy Ebene des Graphens diskreti-siert und in den elektronischen Zustandsdichten zeigen sich Divergenzen für jede der diskretisierten Wellen. Bei der Herstellung der Röhrchen treten immer Vertei-lungen von Röhrchen mit unterschied-licher unterschiedlichen Durchmessern auf. In dem vorliegenden Forschungsprojekt wurde zunächst ein Verfahren ausgearbei-tet, das es erlaubt die Durchmesserverteilung der erzeugten Nanoröhrchen in einfacher Weise mit Hilfe der Raman Streuung zu bestimmen. Das Verfahren kann redundant mit verschiedenen Laserlinien angewendet werden und erlaubt daher auch eine Ermittlung des Fehlers bei der Bestimmung der Durchmesserverteilung. Das Verfahren wurde an 6 verschieden hergestellten Proben, die mitttlere Durchmesser zwischen 1 nm und 1.6 nm aufwiesen, ausgetestet. Bei einer sorgfältigen Betrachtung der Energie der Schwingungsmode für die radiale Atmungsbewegung, wurde ein oszillatorisches Verhalten der Linienposition festgestellt. Die beobachteten Oszillationen konnten quantitativ auf makroskopische Quantisierung der transversalen elektronischen Zustände, das heißt der Zustände für die sich die Wellenfunktionen senkrecht zur Achse der Röhrchen ausbreiten, zurückgeführt werden. Für eine durch Gitterdefekte sichtbar gemachte Schwingungsmode der Nanoröhrchen wurde ein ähnliches oszillatorisches Verhalten festgestellt, das quantitativ auf einen dabei erstmals beobachteten Mechanismus der Dreifachresonanz zurückgeführt werden konnte. Die Arbeiten werden in Kooperation mit einer Forschugsgruppe der Tokyo Metropolitan Universität in Japan und der Eötvös Universität in Budapest durchgeführt.