الرنين رامان الطيفي من الأسلاك المتناهية الصغر المتطرفة ونظم 1D أخرى

Summary

The paper describes a method for producing extreme nanowires by melt infiltration into carbon nanotubes and how 1D systems may be characterized and investigated using Resonance Raman Spectroscopy to determine vibrational and optical excitation energies.

Abstract

This paper briefly describes how nanowires with diameters corresponding to 1 to 5 atoms can be produced by melting a range of inorganic solids in the presence of carbon nanotubes. These nanowires are extreme in the sense that they are the limit of miniaturization of nanowires and their behavior is not always a simple extrapolation of the behavior of larger nanowires as their diameter decreases. The paper then describes the methods required to obtain Raman spectra from extreme nanowires and the fact that due to the van Hove singularities that 1D systems exhibit in their optical density of states, that determining the correct choice of photon excitation energy is critical. It describes the techniques required to determine the photon energy dependence of the resonances observed in Raman spectroscopy of 1D systems and in particular how to obtain measurements of Raman cross-sections with better than 8% noise and measure the variation in the resonance as a function of sample temperature. The paper describes the importance of ensuring that the Raman scattering is linearly proportional to the intensity of the laser excitation intensity. It also describes how to use the polarization dependence of the Raman scattering to separate Raman scattering of the encapsulated 1D systems from those of other extraneous components in any sample.

Introduction

رامان الطيفي والرنين رامان الطيفي وتقنيات راسخة أن تستغل على نطاق واسع علميا وتكنولوجيا. في حين ذكرت لأول مرة من قبل رامان نفسه في عام 1928 ¹ هو المفتاح لاستخدام انتشار واسع للرامان الطيفي تطوير أشعة الليزر، والليزر الانضباطي في حالة الرنين رامان، لتوفير كثافة عالية، ومصادر عرض النطاق الترددي الإثارة الضيقة. تعرض هذه الورقة لماذا الرنين رامان نثر هي طريقة أهمية خاصة للتحقيق في الفيزياء الأساسية وتوصيف عينات من أنظمة 1D في أسلاك العامة والمتطرفة، مثل أسلاك بأقطار من ~ 1-5 الذرات. كما يناقش صعوبات خاصة إلى رامان الطيفي لهذه الأسلاك النانوية والبروتوكول الذي يسمح لهذه يجب التغلب عليها، وبالتالي تحقيق قياسات التكرار عالية من الاعتماد على الطاقة ليزر للنثر كفاءة رامان في هذه الأنظمة.

هناك مجموعة واسعة من يكستيnded، نظم البلورية 1D الكم، المعروف أيضا باسم أسلاك، المتاحة للدراسة والتطبيق. وتشمل هذه بخار السائل الصلبة أسلاك نمت أشباه الموصلات ^2، أسلاك محددة lithographically ^3، والألومينا انوديك وتتبع غشاء حفر أسلاك قالب ⁴ وغيرها. والسبب الرئيسي لاهتمام في هذه الأنظمة هو أنها تجمع بين الكبيرة آثار الحبس الكم مع القدرة على الإلكترونات والإثارات أخرى على التحرك بحرية على طول الهيكل. في بعض النواحي أسلاك مختلفة تماما من المواد الأم، مثل خفض فحص الكهرومغناطيسي بسبب الاتهامات المجانية ^5، وانخفاض في بعض الحالات نثر الإلكترون مما أدى إلى نقل الباليستية ^6. ومع ذلك، في كثير من النواحي أسلاك لا تزال الاعظم مثل، على سبيل المثال الترابط والكريستال هيكل المحلية، ودائما ما يقرب من نوعية أساسية من وظائف موجة الإلكترونية على المستوى الذري وضعيف فقط معدلة مقارنة مع معظم ذلكإن تقريب المغلف ⁷ غير صالح. ولكن كما يتم تخفيض أبعاد الاتجاهات تقتصر على عدد قليل من الذرات، يمكن الأسلاك النانوية مع الربط الجديد كليا تحدث تشكيل المتآصلة لم يسبق له مثيل من قبل ^10/8. هذه أسلاك متطرفة من ناحيتين. هم في الحدود القصوى لخفض محتمل في المقطع العرضي ^11-13 ولديهم خصائص المتطرفة ^10،13،14.

قبل الشروع الرنين رامان الطيفي، فمن الضروري لإنتاج عينات أسلاك متناهية الصغر المتطرفة. منهجية المبينة في هذه الورقة لتوليد هذه الأسلاك النانوية هي تسلل ذوبان المواد إلى أنابيب الكربون النانوية المسورة واحدة. تذوب تسلل هو واحد من البروتوكولات ملء يومين عالية الغلة تستخدم للحصول على شغل باستمرار الأنابيب النانوية أحادية الجدار الكربون (SWNT)، والتسامي يجري الآخر، الذي يتمتع بشعبية لإدخال بعض الجزيئات (أي الفلورين) وبعض الأملاح الثنائية، وكان آخرها منظمة التضامن المسيحي الدولية ¹³. في حين ينتج الأسلوب الأخير بالقرب ملء كمي، هي محدودة في أن المواد التي سيتم إدخال يجب سامية الجاهزة التي يحد بشكل كبير من عدد ونوع من الحشوات التي يمكن إدخالها SWNT. وتذوب بروتوكول تسلل ملء يمكن، مع الرعاية، ويمكن استخدامها لإنتاج بالقرب الكمي ملء ¹⁵ ولها قيود أقل من ذلك البروتوكول التسامي. هذه هي أن المواد يجب أن يكون التوتر السطحي أقل من 100-200 مليون م ^-1 و درجة حرارة ذوبان أقل من نحو 1300 K لتجنب إتلاف SWNTs المضيف. ¹⁶

انتقال المجهر الإلكتروني (تيم) هو أفضل طريقة لوصف نوعية ملء الأنابيب النانوية الكربونية وتحديد البنية البلورية أو هياكل أسلاك المتطرفة المنتجة. حل هياكل شظايا الكريستال جزءا لا يتجزأ من SWNT من الصور HRTEM ينطوي مقارنات التجربة والخطأ بين المحاكاة صورة من محاكمة الكريستال جزء زارة الدفاعإلس وعلى النقيض من الصورة التي تم الحصول عليها تجريبيا. وتصف هذه الورقة بروتوكول لتأكيد المجهرية من الزخارف أسلاك متناهية الصغر المتطرفة في عينات SWNT التي كتبها HRTEM محاكاة صورة تمهيدا لتوصيف لها الطيفي.

الرنين رامان الطيفي ¹⁷ هو أداة مثالية سواء لفهم الفيزياء الأساسية للأسلاك المتطرفة، ومرة واحدة وقد تم تحديد الطاقات الرنين، لوصف نوع وجودة عينات من أسلاك. في الأساس، الرنين رامان يسمح للتقرير مباشر على حد سواء البصرية والذبذبات طاقات الإثارة ^17. مع نماذج إضافية من الاعتماد على الطاقة الفوتون من صدى فمن الممكن لقياس تفاعل الإلكترونات الطاقة الصوتية ^17. مرة واحدة وقد تم تحديد الطاقات الرنانة عن معينة أسلاك المتطرفة، الطيف رامان من أسلاك يمكن استخدامها لتتبع السلالة ¹⁸ و المرحلة الإنشائية يتغير ¹⁹ نظرا لدرجة الحرارة، الضغط الهيدروليكي، أو الانحناء من السلك. في حين أنها لا تزال في حاجة إلى إثبات، فمن المرجح أنه في بعض أسلاك المتطرفة المغناطيسية تدور والإثارات يؤدي إلى تشتت رامان السماح لهم بحثها. تمديد رامان نثر لعينات احتجز في زنزانة spectroelectrochemical يمكن استخدامها لتحقيق نقل الشحنة بين أسلاك المتطرفة والأنابيب النانوية المضيف ^20. كأداة توصيف يوفر رامان الطيفي وسيلة لعدم الاتصال، تقرير غير مدمرة من نوع أسلاك متناهية الصغر وجودة ^21. ويمكن استخدامه كأداة للتميز العينات بعد إنتاج و / أو تنقية وحتى عندما أدرجت أسلاك في أجهزة مثل الترانزستورات أو المركبة والتي تتسم بالشفافية على الأقل جزئيا في الطاقات الفوتون اللازمة.

ليس هناك أسلوب واحد التي يمكن أن توفر بديلا مباشرا لالرنين رامان نثر (RRS)؛ ولكن هناك مجموعة من التقنيات الأخرى التي تتداخل بعض اسبيسنت من قدرات هذا الأسلوب. من حيث تحديد الطاقات انتقال البصرية من أسلاك المتطرفة قياسات امتصاص الأشعة فوق البنفسجية-VIS-NIR ²² عرض تقنية أبسط من ذلك بكثير. ولكن في العينات مع فرقة من مختلف أطياف هياكل استيعاب لا يمكن فصل الميزات البصرية المختلفة في مجموعات المرتبطة هياكل معينة. الرنين رامان نثر يمكن تحقيق ذلك نظرا لارتباط الأطياف الضوئية والذبذبات. مزيج من الطريقتين فيه UV-VIS-NIR يسلط الضوء على قياس امتصاص تستهدف طاقات الرنين رامان يمكن تسريع العملية الشاملة إلى حد كبير. معان ضوئي الإثارة الطيفي (PLE) ²³ لا توفر القدرة على ربط التحولات البصرية المختلفة في عينة واحدة؛ ومع ذلك فإنه يعمل فقط لبعض، لا سيما أسلاك غير المعدنية، وأنها ليست سوى قليلا أقل تعقيدا لأداء من RRS وبشكل عام تتطلب عينات فرقت أحادية محمية من بيئىnment لتكون ناجحة تماما. على عكس التنوير القائل، الرنين رامان الطيفي يعمل ايضا على قدم المساواة مع المجمعة والعينات المتناثرة أحادية، وبالتالي يتطلب إعداد عينة صغيرة. بينما حتى الآن تستخدم إلا قليلا، نثر رايلي الطيفي على أسلاك الفردية ²⁴ يليه نقل المجهر الإلكتروني (تيم) تحليل هيكل أسلاك متناهية الصغر يمكن تحديد كل من طاقات الإثارة البصرية من الأسلاك في النطاق الطيفي التحقيق وتحديد هيكل أسلاك متناهية الصغر معين . ومع ذلك، فإن هذا الأسلوب لا يوفر معلومات الطاقة الذبذبات محتملة مع RRS. فمن صعبة للغاية لأداء وانها لن تكون مناسبة كأداة توصيف العامة. من حيث المعلومات طاقة الذبذبات البديل فقط قابلا للتطبيق في الوقت الحالي هو أطياف الأشعة تحت الحمراء ²⁵ ولكن هذا هو المرجح، وذلك بسبب قواعد الاختيار، لتحقيق مجموعة مختلفة من الطاقات الذبذبات، وبالتالي تكون مكملة وليست تنافسية. وبالإضافة إلى ذلك الأشعة تحت الحمراء لياليسوف pectroscopy يعانون من نفس المشاكل مع عينات فرقة للقياسات امتصاص الأشعة فوق البنفسجية-VIS-الجرد الوطني.

كما سبق ذكره الطيفي رامان تم تطبيقه على مجموعة واسعة من المشاكل داخل العلم. في الأنظمة الجزيئية يتم استخدامها لتكمل أطياف الأشعة تحت الحمراء لتحديد الأطياف الذبذبات وكذلك تقنية البصمات لتحليل تركيبة المواد. تم استغلالها على نطاق واسع في الأنظمة البلورية، على سبيل المثال، وتشتت الضوء في المواد الصلبة سلسلة من الكتب ويشمل تسعة مجلدات. في حالة الأنظمة 3D و 2D، يتم استخدام الإثارة الرنانة أقل لتعزيز كثافة الشاملة نثر والمزيد لتعزيز مساهمة التحولات البصرية محددة في إطار عملية رامان مما أدى إلى انهيار قواعد الاختيار القياسية والقدرة على قياس التفاعل من الإثارات التي لوحظت في الطيف رامان مع الدول إلكترونية محددة. وفي الآونة الأخيرة رامان الطيفي وكانت ر المركزيس دراسة أنابيب الكربون النانوية، واحدة لا سيما أنابيب الكربون النانوية المسورة. وقد أبرزت الأبحاث أنابيب الكربون ²¹ أن لأنظمة 1D الإثارة الرنانة ليست اختيارية، كما هو الحال بالنسبة لمعظم التطبيقات رامان لأنظمة 3D و 3D، ولكن هي ضرورية تماما. وذلك لأن غير الرنانة رامان نثر ضعيف جدا بحيث لا يمكن لاحظت وانه فقط عندما الإثارة هي الرنانة مع قوية وشخصياته فان هوف في الكثافة الضوئية للدول، التي هي سمة من سمات النظم 1D على وجه الخصوص، أن أي طيف رامان يمكن ملاحظتها. وهكذا في حالة من أسلاك المتطرفة استخدام رامان الطيفي يتطلب قياس الرنين رامان الكامل للعثور على الأصداء من كل من أسلاك في عينة قبل رامان الطيفي يمكن تطبيقها على دراسة هذه المواد.

Protocol

التحضير 1. عينة: تذوب ملء SWNTs مع الزئبق تيلوريد (HgTe) ومواد أخرى

تحذير: بعض المواد الكيميائية المستخدمة في هذا البروتوكول يمكن أن تكون خطرة على الصحة. يرجى الرجوع إلى ورقة بيانات سلامة المواد ذات الصلة قبل أن يتم أي مكان الكيمياء. استخدام المعدات المناسبة الحماية الشخصية (معطف المختبر، ونظارات السلامة وغيرها) والضوابط الهندسية (على سبيل المثال، وعلبة القفازات، غطاء الدخان الخ) عند التعامل مع أنابيب الكربون النانوية وتيلوريد الزئبق.

1. سخن ~ 50 SWNTs ملغ إلى 400 درجة مئوية في الهواء الجاف أو 500 درجة مئوية في الخلاء.
   ملاحظة: إذا تم استخدام الهواء الجاف، قد يكون هناك بعض الخسائر في حجم SWNTs، وعادة 20-40٪. تم الإبلاغ عن التسخين من SWNTs قبل ملء هذا وسيلة لتحسين نسبة SWNTs مليئة جزيئات أو بلورات ^12.
2. في الأرجون علبة القفازات طحن ~ 20 ملغ من SWNTs مسخن ²⁶ مع حجم مساو من مواد التعبئة (في هذه الشركة المصرية للاتصالات الزئبق حالةlluride) ل> 20 دقيقة باستخدام هاون ومدقة العقيق، وتطبيق قوة لإنتاج خليط حميم.
3. في حين لا يزال في علبة القفازات، ونقل كامل المبلغ من SWNT / ملء خليط المواد إلى 8-10 ملم (القطر الداخلي)، 6-10 سم السيليكا طويلة الكوارتز أمبولة مختومة في نهاية واحدة ومفتوحة على الآخر.
   ملاحظة: هناك قمع ورقة المرشح هو مفيد في 1.3. لا تستخدم أمبولات مختبر الزجاج العادي لأن هذا الصف من الزجاج قد تذوب وتلحق الضرر الفرن.
4. داخل علبة القفازات ختم مؤقتا نهاية مفتوحة للأمبولة مع فيلم من البلاستيك لنقلها إلى خط فراغ. إزالة الفيلم بمجرد تأمينها إلى خط فراغ.

2. الإخلاء وملء الخطوة

1. ختم الأمبولات التي تحتوي على SWNT / ملء مركب في ظل فراغ المعتدل (عادة ~ 0.1 باسكال).
2. في أنبوب للبرمجة أو دثر الأفران، تسخين أمبولات مختومة بمعدل المنحدر من ~ 5 درجات مئوية دقيقة ^-1 إلى ~ 100 درجة مئوية> نقطة انصهار (النائب) من التعبئةجي مع الدراجات الحرارية عند درجة حرارة +/- 100 درجة مئوية لمدة 12 ساعة فترات لفترة ما مجموعه 48 ساعة.
3. تبريد أمبولة في الفرن إلى درجة حرارة الغرفة بمعدل لا يزيد عن 5 درجات مئوية دقيقة ^-1 قبل كسر مفتوح والتخزين.
   الخطر: كسر أمبولات مفتوحة يمكن ان تسبب الجروح أو يمكن أن تنهار، وتقديم كبير خطر تأثير العين. حماية العين وقفازات السلامة يجب أن ترتديه أثناء هذه العملية. أمبولات ويمكن تقسيم بأمان بتسجيله أول أمبولة في المركز مع الكاتب الزجاج ثم كسر في هذا الموقف الذي يلف في قطعة قماش قاسية وبعد ذلك تطبق نفس الوقت الانحناء ضغط جانبي نقطة النتيجة.

تنظيف 3. عينة

1. إزالة مركبات الخارجية إلى SWNTs بواسطة التكثيف الراجع بلطف العينة في 1: 1 خليط من حمض الهيدروكلوريك المركز وHNO ₃ (إجمالي حجم 50 مل) ب ~ 1 ساعة.
2. غسل العينة مع دي المتأينة المياه وتصفية باستخدام تسيطر المسام وإلتر التي لديها حجم المسام من ~ 0.22 ميكرون.

4. تحليل عينة من دقة عالية تيم (HRTEM)

1. تفريق ~ 5 ملغ من عينة في ~ 5 مل من الايثانول مع صوتنة في حوالي 20٪ من 750 واط من الكهرباء في sonicator غيض مع 2 ثانية / إيقاف ينبض.
2. وضع 1-2 قطرات من التشتت إلى 3.05 مم اسي الكربون المغلفة شبكات HRTEM العينة.
3. أداء HRTEM ^27،29 التصوير في 80 كيلوفولت HRTEM لتصحيح انحراف ومجهزة مع جهاز المسؤول عن جانب 4008 س 2672 بكسل (CCD).
4. Precalibrate اتفاقية مكافحة التصحر في نفس التكبير لاستخدامها لتصوير مركب أنابيب أسلاك متناهية الصغر / الكربون باستخدام الطائرات (111) شعرية (مفصولة 0.235 نانومتر) النانوية الاتحاد الافريقي تفرقوا.
5. الحصول على صور منفصلة شغل عينات SWNT في التكبير من 600،000 مرات على الأقل وتحت شيرتسر الظروف يزيل التباؤر التصوير المثلى.
6. تأكيد تكوين الحشوات بواسطة تحليل مجهري التشتت طاقة الأشعة السينية (EDX) ^{28،29 مثالي باستخدام نفس HRTEM كما تستخدم للتصوير. استخدام ~ 1 نانومتر التحقيق الإلكترون تركز على حزم شغل من SWNTs.}

5. التأكيد على المجهرية من SWNT جزءا لا يتجزأ المتطرفة أسلاك متناهية الصغر التي كتبها HRTEM صورة محاكاة

ملاحظة: للحصول على صورة المحاكاة حزمة محاكاة صورة ملتسلس القياسية مثل SimulaTEM يمكن استخدامها والتي تنتج صورة نقطية المحاكاة (*. BMP) التي يمكن مقارنتها مباشرة. للحصول على تفاصيل دقيقة عن تشغيل البرامج من خلال مختلف المنابر، يرجى اتباع البروتوكول المصنعة.

1. اختيار صورة HRTEM من أسلاك متناهية الصغر خالية من الانجراف ومع الأعمدة ذرة حلها واضحة للعيان لمسافة طول SWNT من ~ 5 نانومتر. وينبغي أن يكون محور طويل من مركب أسلاك متناهية الصغر / أنابيب متعامدة فيما يتعلق شعاع الالكترون.
2. توليد الإحداثيات ذرية بالتآمر المواقف ذرة مباشرة على أعمدة الذرة باستخدام صورة معايرة (الخطوة 4.4). ⁸ في حالة وجود ارتفاع الكريستال التماثل الصورةtructure. مطلوب صورة واحدة ^(11). إضافة 2-3 طبقات الذرية في الإسقاط إلى نموذج لاستكمال الهيكل. لنموذج التماثل منخفضة، حل التركيب البلوري من اثنين أو أكثر من توقعات مختلفة من اثنين أو أكثر من أجزاء متطابقة crystallographically في اثنين من الأنابيب النانوية منفصلة ^10.
3. توليد * .xyz أنابيب ينسق لأنابيب بقطر مناسب باستخدام برنامج مناسب (على سبيل المثال TubeGen 3.4) تحدد وفقا للعلاقة.
   
   حيث d هو قطر، وهي المسافة CC السندات (0.246 نانومتر) و n و m التشكل الأنبوب. يجب أن تكون أنابيب كبيرة بما يكفي لاستيعاب حجم الخارجي من الكريستال ولدت من الخطوة 5.2 مع الأخذ بعين الاعتبار فان دير فال دائرة نصف قطرها من ذرات الكربون في جدار الأنابيب النانوية (0.17 نانومتر).
4. تجميع إحداثيات الذرية المركبة من أسلاك متناهية الصغر كومبوس / أنابيبالفنار باستخدام برنامج التلاعب هيكل مناسب (على سبيل المثال Crystalmaker) بحيث يتم إدراج الكريستال 1D إلى والانحياز على طول محور مركزي مشترك من أنابيب ثم قم بحفظ النموذج النهائي الإحداثيات في * .xyx أو * تنسيق .PDB.
5. إنتاج محاكاة صورة مركب أسلاك متناهية الصغر / أنابيب باستخدام معيار بروتوكول ملتسلس المحاكاة (على سبيل المثال SimulaTEM) باستخدام إحداثيات الذرية ولدت في 5.3.
6. محاكاة مركب في التوجه الأولي من هذا القبيل أن المحور الطويل للمركب هو متعامد لشعاع الالكترون. استخدام معلمات المحاكاة تتفق مع الجهد المتسارع (على سبيل المثال 80 كيلو فولت) ومعامل للانحراف كروية (جيم، على سبيل المثال 0.001 مم) بما يتفق مع الصك HRTEM.
7. بصريا مقارنة مظهر من المحاكاة إلى صورة. إذا لم يتم الحصول مباراة بصرية جيدة تدوير جزء حول المحور الطويل للالشديد مركب أسلاك متناهية الصغر / أنابيب قبل فترة مناسبة (ه.ز 10 درجة) ومن ثم إعادة محاكاة. كرر هذه الخطوة لكامل 180 درجة دوران المركبة.
8. إذا كان يشتبه في أن يميل جزء تصوير تجريبيا فيما يتعلق توجه متعامد المثالي، كرر الخطوات من 5،5-5،7 مع الميل ± 10 درجة حتى يتم الحصول على مباراة جيدة.

6. إعداد نموذج مناسب للرامان الطيفي

المخاطر: إن صوتنة حلول الأنابيب النانوية قد تكون قادرة على تشكيل الهباء الجوي التي تحتوي على أنابيب أو أنابيب مملوءة وإذا لم يتم التعامل معها في وقت لاحق العينات بشكل صحيح وهذا يمكن أن يؤدي إلى التنفس المشغل في الأنابيب النانوية أو الأنابيب النانوية شغلها.

1. وضع 20 ملغ من الناتج أنابيب إلى قارورة، إضافة 20 مل ايثانول وختم غطاء.
2. مكان القنينة في sonicator حمام ويصوتن في 20 W ل~ 20 دقيقة حتى يتحول السائل الظلام. يترك لمدة 5 ~ ساعة للسماح أنابيب رذاذ في قنينة ليستقر بها.
3. دوامة بلطف قنينة للتحريض تعليق أسفل إذا كان موجودا.
4. باستخدام ماصة، وانخفاض معطف 10-20 ميكرولتر من تعليق على أكسيد المغلفة الركيزة السيليكون (5 ملم × 10 ملم) والسماح الإيثانول لتتبخر.

7. تركيب نموذج في ناظم البرد

1. وضع قطرات من الطلاء موصل معدني (حوالي 2 مم ²⁾ على إصبع البارد ناظم البرد ووضع بلطف عينة السيليكون على قطرات الطلاء واسمحوا جافة ل~ 2 ساعة.
2. ختم ناظم البرد حسب الشركة المصنعة البروتوكول والترباس ناظم البرد على مرحلة XYZ وضخ ناظم البرد إلى 10 ^-6 م بار باستخدام مضخة حرة النفط.

8. الإعداد الأولي وتحسين نظام رامان

ملاحظة: يرجى الرجوع إلى التخطيطي التجريبي المبين في الشكل 10 قبل قراءة الأقسام التالية للبروتوكول.

1. مجموعة الطول الموجي الحادث إلى القيمة المطلوبة (على سبيل المثال 800 نانومتر) باستخدام مصدر الليزر الانضباطي وفقا لبروتوكول الشركة المصنعة.
2. ضبط الليزر قبل المرشح (C في الشكل 10 ) وفقا لبروتوكول الشركة المصنعة لتحقيق أقصى قدر من انتقال السلطة ليزر من خلال التصفية. في حالة استخدام حجم براج المشبك (VBG) تعديل مجموعة البصرية وفقا للشكل 10 واستخدام الإجراء الفرعي التالي.
   1. تدوير VBG حول المحور الرأسي للحد من انتقال الليزر من خلال VBG. ضبط استخدام VBG مرآة جبل.
   2. مرآة موقف في براج تعكس شعاع وشعاع retroreflect مرة أخرى على VBG. ضبط مرآة لقمع انتقال شعاع retroreflected من خلال VBG.
   3. قياس قوة الليزر التي تنتقل عن طريق قزحية العين (1) وغرامة ضبط VBG ومرآة الدي عودة إلى تحقيق أقصى قدر من انتقال السلطة ليزر.
3. ضبط بعد انتهاء فلتر (C) المرايا (M1 و M2) للعودة شعاع الليزر إلى مسار محدد مسبقا من قبل اعادة تموضع تأملات من مقسم الأشعة ذات الصلة (BP1 وBP2) على اثنين من كاميرات المراقبة شعاع (C1 و C2).
4. قياس الليزر طاقة الفوتون من قبل نثر غير مباشر إلى مطياف. دo لن تبعثر الضوء مباشرة في مطياف لأن هذا يمكن أن تلحق الضرر الكاميرات الطيفي الحساسة.
5. ضبط لوحة موجة نصف (HWP1) لتعيين حادث السلطة على الهدف (وPM2) إلى ~ 1 ميغاواط.
6. باستخدام التصوير البصريات (الشكل 10: أزرق متقطع الخط)، والتحقق من صورة عينة وضمان بقعة الليزر في الموقع المطلوب مع عدم وجود stigmation (تحسين مع 8.3 إذا كان هناك).
   ملاحظة: يتم استخدام الخطوات ال 10 المقبلة في البداية لضمان يزر يقترن بكفاءة في مطياف. مرة واحدة كاملة، وهذه الخطوات لا تحتاج تكرار حتى يتم إجراء تغيير كبير في الإعداد البصرية.
7. ضبط الموقف عينة وفقا 8.6 بحيث تركز تلك البقعة الليزر على منطقة نظيفة من السيليكون.
8. مجموعة مطياف لالصفري النظام واستخدام كاميرا المراقبة التي بنيت في لطيف (الشكل 10 E مكون) لعرض صورة شق مساهمة في المرحلة الأولى من مطياف (الشق 1).
9. فتح الشق 1 وتحقق، وذلك باستخدام كاميرا المراقبة، أن refleالمديرية ضوء الليزر من العينة يدخل الشقوق.
10. من خلال تعديل عدسة اقتران (L3) ضمان بقعة الليزر المركز على الشقوق المدخلات أفقيا وعموديا على الكاميرا.
11. مرارا وتكرارا الحد من الشق 1 العرض وتكرار 8.10 لضمان أن الليزر تركزت بشكل صحيح على الشق 1 وكاميرا. وخلال هذه العملية ضبط تركيز عدسة اقتران لتقليل مبعثر من ضوء الليزر من الشق 1 ضمان أن تعكس وتركز ضوء الليزر تقريبا في الطائرة من الشق 1.
12. توسيع الشق (1) بما أن ضوء الليزر ينعكس لا يثقب بشكل كبير من الشق 1.
13. إعداد برنامج مطياف، حسب بروتوكول الشركة المصنعة، لجمع رامان نثر من 520 سم ^-1 السيليكون رامان الذروة.
14. وضع السلطة إلى 10 ميغاواط.
15. خذ المتكررة أطياف رامان مع واحد التعرض الثانية لبدء التركيز.
16. ضبط التركيز Z من عينة حتى تعرف جيدا 520 سم ^-1 لوحظ سي الذروة.
17. تعظيم هذه الإشارة عن طريق تعديل المدخلات لوحة نصف موجة (HWP2) (وهذا سوف تعتمد على استقطاب صدى المنتهية ولايته وحواجز شبكية في مطياف)، عدسة المدخلات والتركيز Z من العينة.

9. قياس واحدة رامان الطيفي

1. ضبط درجة الحرارة المطلوبة (4 K) والسماح نظام للتوازن (~ 40 دقيقة).
2. تعيين قوة الليزر الحادث على PM2 إلى ~ 2 ميغاواط.
3. تعيين الطول الموجي على برامج مطياف لذلك الذي في الخطوة 8.4.
4. تعيين تحول مركز الصدارة على البرنامج مطياف 0 سم ^-1 والحصول على القصير (500 مللي ثانية) أطياف رامان لقياس خط ليزر.
5. استخدام القيمة المحددة في 9.4 لوضع جديد الطول الموجي، أكثر دقة في مجال البرمجيات مطياف.
6. تعيين تحول الوسط ونافذة الطيفي في برنامج لمراقبة وتوقعت وسائل رامان وبحيث نافذة الطيفي لا تشمل الذيل خط ليزر.
7. نقل موقف عينة إلى منطقة الفائدة (اختيار موقف عينة الأنابيب المجمعة مهم، انظر القسم 14 لمزيد من التفاصيل).
<لى> الحصول أطياف رامان مع اتفاقية مكافحة التصحر التي تركز على 1 التعرض ثانية وفقا لبروتوكول الشركة المصنعة.
8. ضبط موضع التركيز Z من العينة باستخدام وحدات التحكم المرحلة لتحقيق أقصى قدر من السلطة ينعكس في السلطة متر (PM1).
9. الحصول على طيف رامان باستخدام وقت التعرض مناسبة للحصول على إشارة كافية (> 1000 التهم المطلقة).

10. قياس الليزر الاعتماد قوة رامان مقطع عرضي

1. تعيين الطول الموجي ليزر إلى الذروة تقدر الرنين لعينة محددة على درجة حرارة العمل.
2. وضع الطاقة المنخفضة (~ 0.1 ميغاواط) والحصول على أطياف رامان حسب القسم 9،3 حتي 9،10 من هذا البروتوكول.
3. زيادة الطاقة (بواسطة ~ 0.1 ميغاواط)، وضمان أنه يتم تدوير HWP1 لا تحول بقعة الليزر على العينة. إذا كانت التحولات بقعة الليزر على دوران HWP1 ثم إعادة تنظيم وفقا 8.3 لضمان عدم حدوث ذلك والبدء في التجارب مرة أخرى.
4. كرر 10.3 لمجموعة مناسبة من الصلاحيات لتصل الى ~ 5 ميغاواط. كرر هذه بروسسالصورة لكل درجة حرارة العمل.
5. رسم كثافة المجهزة من الميزات رامان لوحظ في مقابل قوة الليزر وتحديد المنطقة الخطية. أداء جميع التجارب الرنين رامان اللاحقة في ذلك درجة الحرارة مع 80٪ من الحد السلطة العليا في المنطقة الخطية.

11. قياس الاعتماد على الطاقة الليزر رامان مقطع عرضي

1. مجموعة المطلوب الطول الموجي الإثارة (مثل 700 نانومتر) ومواءمة فقا النظام مع أقسام 8،1-8،6، ووضع السلطة الحادثة التي تحدد من الباب 10.
2. تحقيق أقصى قدر من القوة التي تعكسها ضبط التركيز Z من العينة، واكتساب باستمرار 1 التعرض ثانية من أجل التحقق من كثافة الميزات رامان الرئيسية.
3. تعيين وقت التعرض وتراكمات لتعظيم إشارة على اتفاقية مكافحة التصحر دون تشبع كاشف.
4. حفظ أطياف مشيرا الى ان في اسم الملف صريف تستخدم، وقت التعرض، وتراكمات، مركز التحول رامان، طاقة الإثارة والقوة الحادث.
5. تعيين غير شامل المقبلitation الطول الموجي بتكرار الخطوات 8،1-8،6 ضمان قوة الليزر الحادث هو ثابت ومن ثم تحقيق أقصى قدر من السلطة ينعكس وفقا خطوة 11.2. للحصول على نتائج أولية تستخدم موجات الليزر الإثارة حوالي 10 نانومتر على حدة. للحصول على جودة العرض موجات النتائج الليزر فصل ما يقرب من 2 نانومتر هي الأفضل.
6. بعد عودة كل ستة موجات الإثارة جديدة لطول موجي واحد السابق الإثارة (مثل 700 نانومتر) وتكرار 11،1-11،5. رسم كثافة المجهزة من ميزة رامان مفتاح واحد من أطياف المتكررة بوصفها وظيفة من الوقت التجريبية وضمان عدم وجود الانجراف على المدى الطويل.

12. قياس الاعتماد الاستقطاب من أطياف رامان

1. وضع محلل الاستقطاب (Pol2) في المسار بين الهدف ومطياف كما هو مبين في الشكل 10 (الخط المنقط الأرجواني). ضع بالإضافة إلى لوحة نصف موجة والمستقطب (HWP3 وPol3) في مسار بصري قبل الهدف.هذا وسوف تستخدم لتدوير الاستقطاب الحادث. ضمان أن يتم محاذاة كل المستقطبات وHWPs بشكل صحيح، وبالتالي فإن الإشعاع الحادث هو عمودي على المحور البصري وينتقل عن طريق مركز للبصريات.
2. ضبط Pol3 لتمرير الضوء المستقطب عموديا. باستخدام إشارة رامان قوية، مثل قطعة من السيليكون العارية، وضبط (Pol2) لتمرير الضوء المستقطب الرأسي وضبط HWP2 لتحقيق أقصى قدر من شدة إشارة رامان. لاحظ دوران HWP2 واتجاه استقطاب الضوء الخوض في مطياف. تأكد من أن في بقية التجربة، واستقطاب وقوع الضوء على التجربة لم يتغير عن طريق تعديل HWP2 لتعويض أي تغيير في الاستقطاب تحليل تمر الاتجاه.
3. تحقق المواءمة بين محلل الاستقطاب. تدوير المستقطب 180 درجة للتأكد من إشارة لا يزال هو نفسه.
4. تنفيذ الخطوة 12.3 مع منتجات الخشب المقطوع (بالتناوب في 90 ° الخطوات نحو ثورتها كاملة).
5. لاحظ التغيير في إشارة إن وجدت في كل خطوة.
6. تحقيق أقصى قدر من القوة التي تعكسها ضبط التركيز Z والحصول على أطياف رامان باستخدام مدخلات الطاقة والتعرض الوقت / تراكمات المناسبة.
7. ضبط المستقطب جمع مع الملعب المناسب (10 درجة) وضبط منتجات الخشب المقطوع بطريقة من اجل الحفاظ على الاستقطاب من وقوع الضوء على ثابت مطياف كما نوقش في 12.2.
8. وقد تم قياس كرر الخطوة 12.7 حتى مجموعة كاملة من المستقطب.
9. تغيير الاستقطاب الحادث الضوء على الهدف إلى أفقي.
10. تأكد من أن هذا لم تسبب في بقعة الليزر للتحرك على العينة. تكرار القياس في الخطوات 12.7 و 12.8. ويمكن أيضا أن تستخدم الاستقطاب الحادث أخرى ولكن على الأقل اثنين، الاستقطابات متعامدة ضرورية. في حالة استخدام غير أفقيا أو عموديا الضوء المستقطب تأثير البصريات بين Pol3 والهدف على استقطاب الضوء يحتاج إلى أن تؤخذ بعين consideratأيون.
11. تحقق الاعتماد الاستقطاب ضد تلك المتوقعة لمجموعات من الكائنات 1D لتحديد ترتبط الميزات رامان مع أسلاك مغلفة (انظر ممثل النتائج).

13. قياس درجة الحرارة والاعتماد من رامان الطيفي

1. ضبط درجة الحرارة عينة جديدة على وحدة تحكم ناظم البرد وفقا لبروتوكول الشركة المصنعة.
2. من خلال مراقبة درجة حرارة ناظم البرد والحركة من العينة تأكد من أن ناظم البرد في حالة توازن حراري وليس هناك حركة عينة قبل المتابعة.
3. تصحيح أي انحراف الحراري للموقف عينة من خلال مراقبة العينة في ناظم البرد مع وبدون إضاءة الليزر.
4. تأكد من أن قوة الليزر هي في النظام الخطي الخطوات التالية من الباب 10.
5. قياس الاعتماد على الطاقة ليزر للقسم الصليب رامان كما في القسم 10. ومن الشائع لالأصداء البصرية من العينة للتحول مع درجة الحرارة على الرغم من سften الطاقة من التغييرات صدى ببطء نسبيا مع درجة الحرارة.

14. اختيار عينة الوظيفة

1. بعد تصاعد عينة، والعثور على موقف واضح على عينة، مثل الزاوية ونلاحظ الموقف من مراحل ترجمة ناظم البرد، وذلك بإضافة في المكونات كما يتبين من خط متقطع الأزرق في الشكل 10.
2. الانتقال إلى موقف واضح آخر، على سبيل المثال على طول أحد الحواف، ثم لاحظ موقفها.
   ملاحظة: موقف عينة مهم عند دراسة مجموعات من أنابيب الكربون النانوية شغلها. ومن المرجح أن العينة ستكون غير متجانسة. وضع جيد على عينة لديه الخصائص التالية.
3. العثور على الموقع الذي هو واضح بصريا عندما ينظر اليها من خلال المجهر مع التفاصيل على نطاق ميكرون مما يسمح لك بالعودة موثوق بها إلى مكانتها.
4. قياس إشارة رامان من العينات وضبط الموقف XY قليلا للتأكد من تجانس المنطقة على عدد قليل من ميكرون الصورةكال. إذا تختلف إشارة اختيار كبير بقعة مختلفة.
5. التقاط صورة من البقعة ثم لاحظ الإحداثيات النسبية من عينة الزاوية لتكون قادرة على العودة إلى عينة.

15. معالجة البيانات المشاركة

1. استيراد الأطياف في برنامج معالجة البيانات.
2. تطبيع كل الطيف فيما يتعلق قوة الليزر والتعرض الوقت للحصول التهم لكل ثانية لكل ميغاواط.
3. الصحيح لكفاءة الطيف.
   ملاحظة: بعض البرامج مطياف يفعل ذلك تلقائيا، ولكن إذا لم يكن كذلك، ثم اتبع الإجراء التالي. خطوات 15.3.1-15.3.2 يمكن القيام به مرة واحدة لأي طيف معين، وبعد ذلك تستخدم عند الضرورة في وقت لاحق.
   1. وضع مصدر معايرة الضوء الأبيض في موقف عينة وقياس الطيف مع كافة الإعدادات القياسية لطيف.
   2. تقسيم طيف الضوء الأبيض مع منحنى المعايرة لمصدر الضوء الأبيض للحصول على سرعة نقل مطياف. تخزين الإنتاجيةملفات لاستخدامها لاحقا.
   3. تقسيم رامان الطيف تقاس الإنتاجية من الطيف في ظل ظروف مماثلة.
4. رسم أطياف رامان باستخدام البرمجيات المناسبة لمعالجة البيانات.
5. تحقق الأطياف لدليل على القفز الليزر بين الطاقات خلال الطيف. هذا وسوف تنتج قمم أوسع أو مضاعفة تصل القمم في الطيف.
6. تحقق التحول معايرة رامان عن طريق فحص ميزة رامان المعروفة، مثل السيليكون LO (طولية بصري) الطاقة الصوتية، أو التحقق من وجود تغيرات مفاجئة في انتقال كل من رامان يتميز في الأطياف ذات الصلة من قبل نفس المبلغ.
7. تناسب رامان يتميز باستخدام الأشكال خط القياسية وغير الخطية التقويس البرنامج المناسب للحصول على السعة، وتحول المركز وعرض لجميع الميزات.
8. رسم معالم تناسب مقابل طاقة الليزر أو درجة الحرارة كما هو مطلوب.

النتائج

نتائج ممثلة لسلسلة الصور HRTEM والمحاكاة على عينة من HgTe @ يتم عرض SWCNTs في الشكل 1 الصور في جميع أنحاء الشكل 1A - F، تصوير منخفضة الأبعاد، تقتصر HgTe أسلاك المتطرفة، التي يبلغ قطرها ~ 1 نانومتر، الذي يتطابق المجهرية إلى النموذج مناقشتها في المرجع ^14. يتم عرض الصور التمثيلية للحزم وأنابيب منفصلة في الشكل 1D. وفقا للبروتوكول، يتم إنشاء نموذج التجربة والمحاكاة في جميع أنحاء زوايا الميل المختلفة والتوجهات شعاع، نتائج ممثل هذا هو مبين في الشكل 1A، B، C، وهذه المحاكاة صورة يمكن أن يكون عبر ربطها النتائج التجريبية الحقيقية (1D الشكل، F)، ويمكن أن ينظر إليها على أنها مباراة جيدة مع المحاكاة.

والهدف الرئيسي من هذه التجارب وصفها في هذه الورقة هوقياس أطياف رامان من أسلاك المتطرفة مثل تلك التي عرضت في الشكل 2. تم قياس أطياف المعروضة في الشكل 2 باستخدام عينة من HgTe أسلاك المتطرفة التي أخذت من نفس دفعة النمو مثل أسلاك الحالية في الشكل 1. تم إعداد نموذج لرامان باستخدام تعيين طريقة في المواد 6 و 7 من البروتوكول. أطياف المعروضة في الشكل 2 يظهر عدد كبير من القمم ومعظمها يمكن أن يعزى إلى أسلاك متناهية الصغر الإثارات الذبذبات الشديدة والمتعددة الطاقة الصوتية رامان التي تنطوي على إيحاءات ومزيج من هذه الإثارات الذبذبات. وصفت وسائل الأساسية الذبذبات، و(45 سم ^-1)، B (52 سم ^-1)، C (94 سم ^-1) ودال (115 سم ^-1)، وبعض من مجموعاتها وإيحاءات على أطياف مرئية ما يصل الى 6 على الأقل لكي ^عشر. يتم تعيين الإسناد المفصل وتفسير أطياف رامان HgTe في إشارة ^14. هذاوتجدر الإشارة إلى أن الطاقة الصوتية متعددة قوي رامان هو سمة مشتركة من المواد II-IV، مثل HgTe، وليس بالضرورة أن يكون سمة من سمات جميع العينات أسلاك متناهية الصغر المتطرفة. بالإضافة إلى أسلاك متناهية الصغر يضم أطياف رامان تحتوي أيضا على الأنابيب النانوية الكربونية واحد رامان ميزة. بسبب الغالب إلى الوضع التنفس شعاعي لوحظ في 168 سم ^-1 الذي الطاقة الرنانة من 1.67 فولت ¹⁴ غير واضح من مختلف الطاقات صدى من الميزات ملء رامان (الشكل 4). الميزات رامان أنبوب المضيف يمكن تحديدها بوضوح من أطياف رامان من الأنابيب النانوية نقية تستخدم لملء. ويرد التحقيق الرنين رامان من أنابيب شاغرة مع مجموعة واسعة من الطاقات الإثارة في المواد التكميلية جنبا إلى جنب مع إسناد الأولي من 5 RBMs المحددة في هذه البيانات.

البيانات المقدمة في الشكل 2 يوضح الإثارة ليزر الاعتماد القوي الطاقة التي طالشائع في نظام 1D. هذا الاعتماد على الطاقة هي واحدة من المؤشرات الرئيسية على أن أي رامان ملامح لوحظ من المقرر أن أسلاك المتطرفة بدلا من غيرها من المواد الأصل الأشكال، أو منتجاتها التحلل الحراري، التي لا تزال في العينة بعد التنظيف. مؤشر رئيسي آخر هو أن السمات الملحوظة هي مختلفة تماما عن تلك التي بالجملة HgTe ³⁰ التي يسيطر عليها وضع الطاقة الصوتية الطولية البصرية (LO) في 137 سم ^-1. وهناك أدلة هامة في الأدب أن أطياف رامان النانوية من HgTe بأقطار الى 3 نانومتر يهيمن عليها سائط الذبذبات بالجملة LO الطاقة الصوتية المشتقة وينطبق الشيء نفسه على HgTe الآبار الكمومية ذات أبعاد وصولا إلى 2 نانومتر. المؤشر الرئيسي النهائي الذي الميزات رامان محددة ترتبط مع أسلاك بدلا من الجسيمات النانوية أو كتل من المادة الأم هو الاستقطاب الاعتماد مميزة كما هو موضح في الشكل (3). وكما نوقش بمزيد من التفصيل في إشارة ¹⁴ رانه تشتت رامان من مجموعة من أنظمة 1D الموجهة بشكل عشوائي والاستقطاب تفضيلي في نفس اتجاه ضوء الليزر مثيرة مع نسبة تباين تبلغ 1: 3 وهكذا يظهر الرقم المميز من ثمانية الشكل الحالي في أفضل النتائج هو مبين في الشكل (3). ومن المهم لاختبار هذا الاتجاه الانبعاثات المفضل بالتناوب مع الاستقطاب الإثارة، كما هو مبين في الشكل (3)، كما رامان الاستقطاب بسبب آليات أخرى ليس من غير المألوف. فمن المحتمل جدا أن نلاحظ نسبة تباين أقل من 3: 1 لطبقات سميكة من أسلاك، كما هو مبين أيضا في الشكل (3)، وهذا يمكن أن يعزى إلى تشتيت الضوء في الطبقة.

تفسير آخر ممكن للقمم رامان في عينات أنبوب مملوء التي ليست موجودة في أنابيب غير المعبأة وليس بسبب ملء المتبقي هو أن يملأ أو المواد المتبقية يؤدي إلى إدخال تعديلات على الطيف SWCNT رامان. لانسعينات tance من SWCNTs التي كان المعدن تبخرت على هم يظهرون "الاسكواش" وسائط الذبذبات. ^31،32 ولكن في حالة العينات HgTe شغل نلاحظ عكس ذلك الاعتماد الاستقطاب (الشكل 3) لاحظ أن وسائط الاسكواش. ³¹ وبالإضافة إلى ذلك حقيقة أن لوحظ التوافقيات عالية من وسائط الأساسية في HgTe الأطياف وليس لوضع أطياف الاسكواش يتيح لنا أن يستبعد وضع تفسير للاسكواش للميزات HgTe رامان.

وقدم الاعتماد على الطاقة فوتون من شدة ميزة ب رامان مأخوذة من تجربة الرنين رامان كاملة باستخدام بروتوكول الواردة في هذه الورقة في الشكل (4). كما قدم هو نفس النتيجة من تجربة يؤديها قبل وضع بروتوكول بالكامل . مع بروتوكول فمن الممكن الحصول على الاختلاف في المتكررة، وقياسات مستقلة من نقطة واحدة على ريسوناالملف الشخصي الامتحانات التنافسية الوطنية ما يقرب من 8٪ كما هو مبين في الشكل (5). الأجزاء الرئيسية للمواءمة النظام الذي ينبغي أن يكون للرقابة من أجل الحصول على أطياف ذات نوعية جيدة هي محاذاة شعاع الليزر إلى الهدف المجهر ومن ثم تركز شعاع على العينة. وتتجلى أهمية المواءمة شعاع في الشكل 6A، ه. في هذا الرقم وتظهر أطياف رامان (الشكل 6A، أثر الأزرق) مع شعاع محاذاة بشكل صحيح على اثنين من الكاميرات شعاع التوجيه (ج و ه) والأطياف دون المستوى الأمثل (الشكل 6A، أثر الأخضر) مع شعاع المنحرفة عن عمد. خط من خلال نقطة المركز الرأسي والأفقي لكل من الإطار ب، ه في الشكل 6 يوضح أن هناك انحراف أفقي صغير في محاذاة الليزر كما هو موضح عند مقارنة 6B و6D. مقارنة آثار الخضراء والزرقاء في 6لذلك، فمن الواضح أن الاختلال صغيرة يمكن أن تؤدي إلى تفاوت كبير (> فقدان 50٪) من إشارة رامان ضرب اتفاقية مكافحة التصحر.

ويتضح أهمية، وأهميتها، من استخدام شدة الشعاع المنعكس لضمان الهدف يتركز بشكل صحيح على عينة في الشكل (7). ويمثل هذا الرقم شدة رامان ويعكس إشارة ضوئية بوصفها وظيفة من المسافة بين الهدف وعينة . أن يكون في حدود 10٪ من ذروة رامان، ودقة من Z-موقف (المسافة بين الهدف والعينة) يحتاج إلى أن يكون أفضل من 20 ميكرون، والتي هي أكبر بكثير من المسافة بين مواقف ذروة قوتها ورامان كما قدمت في الشكل 7.

كما نوقش في بروتوكول فمن المهم أن تؤخذ تأثير كثافة الإثارة ليزر على أطياف رامان في الاعتبار وأنالتجربة تكون في النظام الذي تناثر رامان يتناسب مع شدة الإثارة عند قياس الشخصية الرنين. القياسات التمثيلية للاعتماد الإثارة شدة رامان نثر كثافة من HgTe أسلاك المتطرفة، ويقاس حسب المادة 9 من بروتوكول، ويظهر في الشكل (8). وكما هو مبين في الشكل 8 شدة رامان يزيد في البداية خطيا مع شدة الإثارة تصل إلى كثافة 1.5 × 10 ⁴ قبل بدأت تظهر سلوك غير خطي مع ميل للإشارة إلى تشبع. وسلوك الإثارة كثافة الدقيق لعينات مختلفة تختلف ولذا يجب أن يتم قياسها وأخذها بعين الاعتبار. من الشكل 8 شدة رامان بشكل واضح داخل النظام غير الخطية لشدة الإثارة أكبر من ~ 0.2 ميغاواط / مم ^2. وتبين أيضا هو صالح الخطي للبيانات في شدة الإثارة منخفضة مما يدل على أن في إثارة منخفضة بما فيه الكفاية بما فيه الكفاية طntensities شدة رامان يتناسب مع شدة الإثارة (تصل إلى ~ 0.1 ميغاواط / مم ^2). ومن المهم أن نكرر هذه البيانات هي فريدة من نوعها لهذا المنصب عينة معينة في درجة حرارة معينة (4 K)، ويجب أن تتكرر التجربة وفقا للخطوات بروتوكول عندما يتم التحقيق عينة مختلفة / درجة الحرارة. وكقاعدة عامة من الإبهام، وهو مثالي للاستخدام حوالي 80٪ من الطاقة القصوى في النظام الخطي.

مرة واحدة وقد تم قياس الشخصية الاعتماد على الطاقة الرنين جودة عالية هذه ثم يمكن تحليلها للحصول على مجموعة من المعلومات. النظرية الكامنة وراء عمليات رامان مفهومة جيدا ونظرية وقت الاضطراب المعتمد ^17، وغالبا ما تحسب باستخدام نهج مخطط فاينمان ^21،33، ويمكن استخدامها للتنبؤ الشخصية الرنين وحتى شدة المطلقة. في حد أن التحولات البصرية هي منفصلة وفصلها بشكل جيد في الطاقة تتوقع النظرية القائلة بأن رامان كثافة لتشتت الطاقة الصوتية واحد يتبع lineshape Lorentzian تركزت في الانتقال البصرية مضروبة واحدة تركز الطاقة فونون واحدة فوق لستوكس نثر أو الطاقة الطاقة الصوتية واحد تحت لمكافحة ستوكس رامان نثر. لو كان صغيرا مقارنة الطاقة من الطاقة الصوتية إلى linewidth الرنين، كما هو الحال بالنسبة للأسلاك HgTe، وهذا سوف يؤدي إلى الرنين وجود Lorentzian مربع lineshape. ولكن في النظم 1D فمن المرجح أن الخصائص الموجودة في الطيف الضوئي سوف تترافق مع شخصياته فان هوف التي تتكون من سلسلة متصلة من الدول. وبالإضافة إلى ذلك فمن المرجح أن يكون التجانس داخل العينة زيادة توسيع المرحلة الانتقالية. إذا كان أي أو كل من هذه صحيحة ثم فإن كثافة من الدول لالتحولات البصرية يغير ويمكن أن تهيمن على lineshape. وجعل الوضع أكثر تعقيدا بسبب تشتت رامان هو عملية متماسكة وذلك آثار التدخل تنطوي على متواليات نثر مختلفة، ودولة وسيطة مختلفةالصورة وتغيير الصورة بالرنين ^34. لنفس السبب أي اختلاف من العمر متماسك بين دول وسيطة يمكن أن تؤثر أيضا على lineshape ^35. إمكانية مشاركة نثر مرونة من العيوب وآثار صدى مزدوجة، لا سيما في أعلى ترتيب رامان نثر، يزيد من تعقيد الوضع ^21،35. وغالبا ما يكون ذلك، لا يمكن بداهة التنبؤ الشخصي المتوقع الرنين رامان. ومع ذلك تم استخدام الرنين رامان نثر لاستخراج قدرا كبيرا من المعلومات حول أنظمة مواد مختلفة بما في ذلك الطاقة من الميزات في الطيف الضوئي، وطبيعة الدولة مسؤولة عن تلك الميزات وطبيعة وقوة كمية من التفاعلات الإلكترون الطاقة الصوتية ^17. من أجل تحديد أفضل للطاقة والعرض حيوية من الميزات البصرية داخل الرنين البيانات الشخصية غالبا ما يكون من المفيد أن يصلح لهم باستخدام أحد lineshapes البصرية القياسية. فيحالة أسلاك HgTe حاولنا Lorentzian، تربيع Lorentzian وlineshapes التمويه ووجد lineshapes التمويه ليكون أفضل تناسب (الشكل 4). أن تكون واضحة وهذا هو نوبة الظواهر واستخدام lineshape جاوس لا يمكن تفسيره من حيث طبيعة توسيع ميزة البصرية التي تتسبب في الرنين. من هذه النوبات يمكن أن نحدد الطاقة من ميزة البصرية المسؤولة عن الرنين لتكون 1.76 فولت. وسيتم نشر تحليل أكثر تفصيلا من السلوك صدى أسلاك المتطرفة HgTe على حدة.

قياس درجة حرارة الاعتماد أطياف رامان تمكن الفيزياء إضافي إلى أن سبرت. ولا سيما التحول من الطاقات الذبذبات وعرض قمم الذبذبات يسمح للآثار anharmonic، مما يؤدي إلى تمدد شعرية وحدود الأساسية في عمر الفونونات ليتم التحقيق. قياسات Resonan سوف ملامح م بوصفها وظيفة من درجة حرارة تسمح الاعتماد درجة حرارة الطاقات البصرية يحدد لاحقا. وتعرض بعض النتائج تمثيلية توضح آثار الحرارة المحتملة المتعلقة في الشكل 9. ويتبين من الشكل 9 (أ و ب) أن ما يزيد درجة الحرارة العرض الطيفي يوسع وتحول وسط وضع يخفف، والتي هي في خط مع النظرية التنبؤات. أكثر ما يلفت النظر هو نافذة ج، مما يدل على أن المثير الانزال في شدة الوضع B بوصفها وظيفة من درجة الحرارة. هذا التأثير، والتي سيتم مناقشتها بمزيد من التفصيل في منشور مستقل، ومن المقرر في الغالب إلى انخفاض في حياة متماسكة من الدول البصرية المسؤولة عن الرنين مع ارتفاع درجة الحرارة ودليل واضح على أن تشتت رامان يمكن أن توفر معلومات أبعد من ذلك ممكن مع قياسات الامتصاص.

ithin الصفحات = "1"> من أجل كثافة نثر رامان في درجات حرارة مختلفة ليتم مقارنتها مباشرة، والانحراف عن الموقف الجانبي للعينة يحتاج إلى تصحيح لل. إدراج مصدر الضوء والكاميرا للسماح العينة ليتم عرضه من خلال الهدف المجهر يسمح للتموضع من العينة. إذا ما تم اختيار "جيدة" موقف العينة حسب الخطوة 14 من البروتوكول فمن الممكن أن يعيد عينة وتحقيق استنساخ شدة ذروة رامان أفضل من 8٪ كما هو موضح في الشكل (5).

الشكل 1: HRTEM من أسلاك المتطرفة مع مقارنة لنتائج المحاكاة نماذج الهيكل، بروتوكول محاكاة HRTEM والصور التجريبية ~ أسلاك HgTe 1 نانومتر سميكة جزءا لا يتجزأ من ~ SWNTs قطرها 1.4 نانومتر. نموذج نموذجي جزئي كوتاواي (أ) من 3 جزء طويل نيوتن متر من HgTe جزءا لا يتجزأ من (10،10) SWNT. الاتجاهات شعاع الالكترون (ب) تمثل توقعات مختلفة لسلسلة من توجهات @ HgTe (10،10) SWNT مركب (ج، والمحاكاة LH) والميل (د، RH المحاكاة). صور HRTEM (ه، أعلى اليمين) ويمكن أن يقابل ضد الجدول (ج) والمتطابقة مع الصورة التجريبية (د أعلى اليسار واليمين). HRTEM صورة تم الحصول عليها من رقيقة SWNT حزمة (ه)، وتستخدم لمراقبة جزءا لا يتجزأ من ~ أسلاك 1 نانومتر HgTe (الأول والثاني والثالث) وربطها مع المحاكاة في اللوح (أي إدراجات أنا والثاني، والثالث). ويميل بعض شظايا (و، اليسرى) بواسطة t زاوية، عن طريق المحاكاة (و، وسط) على غرار الذي يتوافق مع نموذج كوتاواي كما هو الحال في و حق.و = "https://www.jove.com/files/ftp_upload/53434/53434fig1large.jpg" الهدف = "_ فارغة"> الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 2: أطياف رامان المدقع الزئبق تيلوريد جزءا لا يتجزأ من داخل الأنابيب النانوية الممثل أطياف رامان من أسلاك المتطرفة HgTe في SWCNTs المكتسبة في 4 K مع العديد من الطاقات فوتون. آثار مختلفة تتوافق مع الإثارة طاقات 1.78، 1.77، 1.75 و 1.71 فولت للخطوط زرقاء، خضراء حمراء وأرجوانية على التوالي. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل (3): كثافة جاهزة ذروة B بوصفها وظيفة من آنج محلل جنيه. مؤامرة القطبية من شدة المجهزة الذروة (ب) في 1.77 فولت و 4 K بوصفها وظيفة من زاوية محلل في رأسي (الأزرق) والأفقي الاستقطاب (الأخضر) الواقعة. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

لاحظت الرنين الآثار في وضع B من HgTe @ SWCNTs الشخصي الرنين من B (52 سم ^-1) وضع بوصفها وظيفة من الطول الموجي ليزر لكل من (أ) حالة حيث يتم الالتزام بها للبروتوكول مفصل لوالحالة (ب: الرقم 4. ) التي اتخذت من قبل وقد تم تطوير هذا البروتوكول. وتتركز بعرض خط جاوس حول 1.77 ± 1 إلكترون فولت و1.74 ± 3 إلكترون فولت لأ و ب على التوالي. تم تحديد أخطاء حدود الثقة 95٪ من الروتين المناسب.ملفات / ftp_upload / 53434 / 53434fig4large.jpg "الهدف =" _ فارغة "> الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 5: يكرر المستقلة من أطياف رامان في 702 الطول الموجي الحادث نانومتر طوال التجربة RRS سلسلة من أطياف رامان، والتي اتخذت تحت ظروف مماثلة في كافة مراحل التجربة. تظهر أطياف A و B طريقة قياس مع خط ليزر 702 نانومتر في 4 K خلال الرنين رامان التجربة. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 6: أطياف رامان من HgTe @ SWCNTs اتخاذها عند الأمثل النظام وعمد دي ضبطها المكتسبة أطياف رامان لتي درجة حرارة الغرفة عند محاذاة النظام بشكل جيد (تتبع الأزرق) والمنحرفة عن عمد (تتبع الأخضر). إطارات (ب، د) وتظهر صورة ليزر على الكاميرا (C2) و (ج، ه) تظهر بقعة الليزر على الكاميرا (C1). أطياف متماشية بشكل جيد تتوافق مع الصور من (ب) و (ج) في حين تظهر أطياف المنحرفة عن عمد من خلال d و e. يرجى النقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 7: تنعكس قوة والمقابلة رامان ذروة كثافة سي ذروة بوصفها وظيفة من عينة البؤري موقف قطعة وتطبيع تعكس الطاقة (الحمراء) يقاس على السلطة متر (PM2) وكثافة تطبيع رامان الباحثensity (الأزرق) كدالة للمسافة بين العينة والهدف. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 8: قطعة من شدة الوضع ب رامان في 4 K و 702 نانومتر كميا مع Lorentzian المناسب بوصفها وظيفة من شدة الإثارة وشدة المجهزة من وضع B بوصفها وظيفة من قوة الحادث، حيث يتم تطبيق يصلح لتحديد. النظام الخطي. الرجاء النقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 9: اعتماد درجة الحرارة من وضع B في HgTe @ SWCNTs في ثابت(1.77 فولت) طاقة الإثارة. أطياف رامان المكتسبة في طاقة الإثارة مستمرة (1.77 فولت) بوصفها وظيفة من درجة الحرارة. يعرض Windows ميلان عرض الطيفي، وتحول مركز وحدة مجهزة من وسائط B على التوالي. أشرطة الخطأ المعروضة هي حدود الثقة 95٪ من الروتين المناسب. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل (10):. تخطيطي من الإعداد البصرية المستخدمة لصدى التجارب رامان الطيفي الشكل يعرض الإعداد البصرية المستخدمة لجميع التجارب التي تمت مناقشتها في بروتوكول الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Discussion

بينما كم هائل من الأبحاث قد أجريت على أسلاك الحد الأساسي من أصغر قطر أسلاك الممكنة، أسلاك المتطرفة، ونادرا ما يتم استكشافها. وقد تبين بالفعل أن خصائص هذه الأسلاك النانوية لا تشكل سلسلة متصلة مع أسلاك قطرها حتى أكبر قليلا، على سبيل المثال أنها يمكن أن تظهر أشكال بلورية جديدة تماما من المواد الأم. يمكن النظر في عدد كبير من المواد الأم الممكنة وأن كل من الوالدين إنتاج العديد من أسلاك متناهية الصغر الشديد أكثر من مجموعة من الأسلاك النانوية الممكنة الفيزياء ضخمة.

حقيقة أن الأبحاث أسلاك متناهية الصغر المدقع لا يزال في مراحله الأولى ليس بسبب أساليب إنتاجها لا راسخة. عملية تسلل ذوبان الواردة في هذه الورقة هي موثوقة وتم استخدامها من قبل العديد من الجماعات والمناهج الأخرى مثل ملء التسامي تتوفر إذا تسلل ذوبان ليس الأمثل لملء أي معين. جزئيايقام المجال يعود لعدم وجود طريقة بسيطة نسبيا وقابلة للتطبيق على نطاق واسع لوصف غير المدمر أسلاك المتطرفة. إذا كان الحقل من أنابيب الكربون النانوية أي دليل، رامان الطيفي لديه فرصة جيدة لكونها الطريقة المفضلة لحل هذه المشكلة. مفتاح الحصول على فائدة أطياف رامان على أسلاك المتطرفة هو أن ندرك أن من القواسم المشتركة مع جميع أنظمة 1D أخرى تعزيز الرنانة من تشتت رامان هو شرط ضروري لرصد أي نثر. مرة واحدة وقد تم تحديد سلوك صدى الكامل من نوع العينة معين باستخدام الأساليب المنصوص عليها في هذا البروتوكول أنه من الممكن استخدام ثابت طاقة الإثارة الرنانة لمعظم التطبيقات رامان للتميز العينة التي سوف تسرع القياسات وخفض تكلفة النظام رامان المطلوبة.

كما هو مبين في النتائج المعروضة في هذه الورقة مشكلة حرجة في الحصول على جودة عالية نتائج الرنين رامان على أسلاك المتطرفة هيتحتاج إلى أن تكون قادرة على إعادة تنظيم بتكاثر شعاع ليزر الانضباطي على مدى عدة أيام مع دقة عالية. وهذا يتطلب تعديلات معينة على نظام تجريبي والانتباه إلى التفاصيل أهم من التجربة. صحيح تركيز النظام البصري، والمحاذاة دقيقة من شعاع الليزر على الهدف المجهر والقدرة على تصحيح وجه التحديد لأي الحركة الجانبية للعينة. التقنيات المتقدمة لتحقيق هذا النموذج على أساس هذه الورقة. وضعت دول أخرى التقنيات والأنظمة لتحسين استنساخ التجارب رامان الرنانة بما في ذلك رواد مثل محمد كاردونا الذي يطبق هذه التقنية لمجموعة واسعة من أنظمة السائبة وكذلك الكم. يبني أسلوبنا أيضا على العمل من رواد رامان في الأنابيب النانوية الكربونية بما في ذلك M. Dresselhaus ^21. ولكن بروتوكول المعروضة هنا هو مناسبة خاصة للتجارب الرنين رامان على أسلاك المتطرفة.

والجزء الأساسي من الصورةكان uccess من بروتوكول تطوير النظام التجريبي هو موضح في الشكل (10). يوضح هذا الرقم عرض خطة الإعداد البصرية المستخدمة للتجارب رامان مفصل في البروتوكول. ويركز ضوء الليزر من خلال الهدف 50X (المسمى OB) على عينة، مختومة في ناظم البرد وفقا للبروتوكول. هي التي شنت هذه ناظم البرد في مرحلة XYZ للسماح 3 حركة الأبعاد من العينة لأغراض مرحلية والتركيز. يتم إنشاء ضوء الليزر من خلال ألف وباء (كونها مصدرا مضخة وتي: الياقوت على التوالي)، التفاصيل الدقيقة ليزر يجري وأشار في وثيقة المواد المقدمة. عند استخدام فلتر خط ليزر التجاري الموجه (مكون C) ضوء الليزر من خلال مركز القزحية 1 و 2 و موازى باستخدام عدسة 1 و 2 (L1 و L2). ويمر الضوء من خلال لوحة نصف موجة والمستقطب (HWP1 وPol1) للسيطرة على الطائرة من الاستقطاب والليزر حادث السلطة على PM2، كما هو مفصل في البروتوكول. يتم تمرير ضوء الليزرمن خلال تصفية الانضباطي، C، واستخدام المرايا M1 و M2، قاد على مسار بصري الصحيح بحيث أنه من الطبيعي أن الوجه الخلفي من الهدف (OB) وتركز على C1 الكاميرات وC2. يتم استخدام فلتر ND لوضع شعاع ينعكس مرة أخرى من الهدف على السلطة متر، PM1، للسماح الإجراء التركيز (الخطوة 9.9) التي يتعين القيام بها. الضوء مرة أخرى متفرقة من العينة التي يتم جمعها ونقلها من خلال عدسة 3 (L3) والشق 1 في مطياف. ضبط عرض الشق وموقف للعدسة المهم لتعظيم إشارة رامان، كما هو مفصل في القسم بروتوكول 8. إذا كان الطول الموجي الليزر هو من خط ليزر بتصفية مجموعة التشغيلي، يحتاج إعداد براج حجم ويمكن توظيفه كأداة في القسم 8.2 .1-8.2.3. من المهم أن يتم تغيير مجموعة البصرية وفقا للخط متقطع الأسود كما في الشكل 10، ويتم إزالة مرآة M3 من المسار. وأخيرا، إذا إجراء التجارب تعتمد الاستقطاب، فمن المهم أنالسيطرة على استقطاب والحفاظ على الاستقطاب دخول مطياف، هذا هو موضح في المادة 12 من البروتوكول والمكونات التي يمكن ان تضاف إلى الإعداد والتي أبرزها خط متقطع الأرجواني في الشكل 10. الأزرق بدد خط في الشكل 10 المشار إليها المكونات التي هي إضافة للسماح التصوير المباشر لعينة كما يتبين من المادة 14 من البروتوكول.

كما هو الحال مع جميع الطرق التجريبية الرنين رامان نثر له حدوده. على وجه الخصوص، والمتاحة مصادر ليزر الانضباطي وكشف عن تعني أنه من الأسهل بكثير للقيام في الطيفي نطاق 350-1،000 نانومتر على الرغم من تمديد الى مزيد من الأشعة تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية ممكنة. النظام التجريبي اللازمة للاضطلاع تشتت رامان مع مصادر الانضباطي ليست رخيصة مع تقدير معقول يجري 200-300k £ في وقت النشر. وبالإضافة إلى ذلك تعقد النظم المطلوبة يعني أنها تحتاج إلى بعض الألفة مع البصريةالتحليل الطيفي لتعمل بنجاح. ومع ذلك رامان نثر يوفر مجموعة من المعلومات التي يصعب الحصول عليها من التقنيات الأخرى. واللافت أنه من الممكن الحصول على رامان نثر، والطاقات وبالتالي الذبذبات، من الأنابيب النانوية المسورة واحدة الفردية الكربون الذي لا يمكن أن يتحقق حتى الآن في أي تقنية أخرى.

الآن وبعد أن الأصداء من أسلاك بدأت تحدد هذا يفتح مجموعة من ملحقات الممكنة من تشتت رامان. في رأينا التمديد لبوابات electrochemically أسلاك القصوى ²⁰ في درجات الحرارة الى 4 ك ^36، والسماح القياسات على أسلاك على نطاق واسع من كثافة تهمة أن يكون المفتاح لفهم هذه المواد. وأخيرا باستخدام تشتت رامان لفهم التحولات الهيكلية وذوبان أسلاك المتطرفة قد تساعد على تحسين نوعية العينات التي يمكن أن تنتج أكثر من ذلك.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Carbon Nanotubes	Nanointegris	NI96
Carbon Nanotubes	Private		Synthesis described in Eurasian Chem.-Technol. J., 5, 7-18 (2005).
Mercury Telluride	VMR		99.999% metals basis
Silica Quartz Tubing	H. Baumbach & Co.		Various diameters and lengths used; typically 1 cm OD, 0.8 cm ID and 8 cm long.
Tube furnace	Carbolite	MTF-12/38/250
JEOL ARM 200F	JEOL		200 kV High Resolution TEM Operated at 80 kV and equipped with CEOS hardware spherical aberation (Cs) imaging corrector. Cs corrected to 0.001 mm.
SC1000 ORIUS camera	Gatan		Size of CCD 4,008 x 2,672
Digital Micrograph Suite 2.31	Gatan		64 bit version
XMax X-ray Microanalysis	Oxford Instruments		This detector uses the silicon drift detection (SDD) principle. 1 nm diameter electron probe.
Crystalmaker Ver 8.7	Crystalmaker		Used for assembling crystal fragments for image simulations
Nanotube Modeler	JCrystalSoft ©2015-2015	Used for generating Nanotube models
SimulaTEM	Private		Ultramicroscopy, 110, 95-104 (2010).
Verdi V8 Pump	Coherent
Mira 900 Ti:Sapphire	Coherent
Volume Bragg Grating	Optigrate		Specfication between 680-720 nm
Photonetc TLS 850 LLTF	Photonetc		Tunable between 700-1,000 nm
LMPLAN IR 50X Mircoscope Objective	Olympus
Cryostat	Oxford Instruments
Triple Raman Spectrometers	Princeton Instruments		triple 600 nm using gratings 900, 900, 1,800 lines/mm
CCD	Princeton Instruments		deep depleted, UV enchanced liquid N2 Cooled Silicon CCD