پاورپوینت خواص نوری نانولوله های کربنی

به نام یگانه لایق پرستش

موضوع : خواص نوری نانولوله های کربنی ارائه شده به : تهیه کننده : پیروز گرجیان

معرفی نانولوله های کربنی
مزایاو معایب نانو لوله ها
ویژگی های نانولوله های کربنی
تولید نانولوله های کربنی
مشکلات اساسی استفاده از نانولوله ها
خواص نوری نانولوله کربنی
اثرات برانگیختگی
خواص نوری خطی و غیر خطی نانولوله های کربنی تک دیواره پر شده
خاصیت نوری غیر خطی فیلم نانولوله های کربنی چند جداره هم تراز
شماتیکی از مکانیزم خواص نوری MWCNTs

فهرست
1

اولین نانولوله های کربنی چند جداره توسط آقای ایجیما ( از شرکت NEC ژاپن ) در سال 1991 بطور اتفاقی در فرآیند تخلیه قوس الکتریکی کشف شد. دو سال بعد، دونالد بتون ساخت اولین نانولوله های تک جداره را گزارش کرد.
نانولوله کربنی از صفحات کربن به ضخامت یک اتم و به شکل استوانه ای توخالی ساخته شده است . خواص ویژه و منحصربه فرد آن و طبیعت کربنی نانولوله ها (به خاطر این که کربن ماده ای است کم وزن ، بسیار پایدار و ساده جهت انجام فرآیندها، که نسبت به فلزات برای تولید ارزانترمی باشد ) باعث شده است که در سالهای اخیر شاهد تحقیقات مهمی در کارایی و پرباریِ روش های رشد نانولوله ها باشیم. کارهای نظری وعملی زیادی نیز بر روی ساختار اتمی و ساختارهای الکترونی نانولوله ، متمرکز شده است.
نانولوله های کربنی دارای ساختار آلوتروپیک (چند شکلی) هستند. شکل استوانه ای و خواص شگفت انگیزشان، آنها را برای به کار گیری در بسیاری از کاربردهای نانوفناوری، الکترونیک، نوری و حوزه های دیگرعلم مواد مناسب ساخته است. نانولوله های کربنی استحکامی خارق العاده و خواص الکتریکی منحصر به فردی دارند و نیز هادی خوبی برای حرارت اند. نانولوله های کربنی عضوی از خانواده فلورین ها اند که باکی بالها را نیزشامل می شوند. فلورین ها خوشه بزرگی از اتمهای کربن هستند که به صورت یک قفسِ بسته اند و از ویژگی های خاصی برخوردارند که پیش از این در هیچ ترکیب دیگری یافت نشده بود. بنابراین، فلورین ها به طور کلی خانواده ای جالب توجه از ترکیب ها را تشکیل می دهند که در فناوری های آینده کاربرد وسیعی خواهند داشت.

معرفی نانولوله های کربنی
2

ساختارهای عجیب و زیادی از فلورین ها شامل : کروی منظم، مخروطی، لوله ای و همچنین اشکال پیچیده وعجیب دیگر وجود دارد ساختار باکی بال به شکل کره و نانولوله به شکل استوانه است (که معمولاً یک یا هردوسر آن با درپوش نیم کروی از ساختار باکی بال پوشیده شده است) نام نانولوله از اندازه اش گرفته شده، زیرا قطر آن در ابعاد نانومتر است. این در حالی است که طول آن می تواند به بلندی چند میلی متر برسد. طول بلند چند میکرونی و قطر کوچک چند نانومتری آن ها، نسبت طول به قطر بسیاربزرگی را نتیجه می دهد. پس می توان نانولوله را به صورت فلورین های تک بعدی در نظر گرفت. به این ترتیب انتظار میرود که این مواد از خواص الکترونیکی، مکانیکی و مولکولی ویژهای برخوردار باشند.
نانولوله کربنی هنگامی تولید میشود که صفحه گرافن با اندازه معینی در جهت مشخصی پیچیده شود. به دلیل وجود شرایط تقارن استوانه ای، فقط میتوان در مجموعه های مجزا از جهات شش گانه، به منظور تشکیل استوانه ی بسته ، صفحه مورد نظر را بپیچانیم. دو اتم در صفحه گرافن انتخاب می کنیم که یکی از آن ها نقش مبدا را ایفا می کند. صفحه تا هنگامی که دو اتم بر هم منطبق شوند پیچانده می شود . بردار جهت مند از اولین اتم نسبت به دیگر اتم ها بردار کایرال نامیده می شود و طول آن مساوی محیط دایره مقطع نانولوله است.
تقسیم می شوند و نانولوله (MWCNT)) و چند جداره SWCNT) نانولوله های کربنی به دو دسته تک جداره
های کربنی تک جداره بر حسب پیچش ورقه گرافنی و زاویه آن به سه دسته زیگزاگ و کایرال و آرمچیر تقسیم می شوند.

3

نانو لوله چند جداره

نانو لوله تک جداره

4

بردارهای هندسه ای نانولوله ها

شکل2

انواع نانولوله های تک جداره

شکل 1

5

با توجه به شکل 2، معادله هندسه نانولوله را توصیف می کند که بردارهای 𝑎 1 و 𝑎 2 بردارهای واحد ورقه گرافن هستند n باید بزرگتر مساویm باشد:

بنابراین برای ساختار زیگزاگی m=0 , نانولوله های آرمچرm=n و حالت های دیگر مربوط به کایرال است. زاویه کایرال بصورت زیر تعریف می شود:

اگر زاویه θ صفر باشد نانولوله آرمچر , اگر θ=30 باشد نانولوله زیگزاگ واگر مابین این دو باشد نانولوله کایرال خواهد بود. قطر نانولوله کربنی از رابطه زیر بدست می آید:

که در آن ac-c فاصله نزدیک ترین اتم های کربن است و 𝐶 ℎ طول بردار کایرال می باشد . اگر اختلاف مقادیر m و n بر سه بخش پذیر باشد نانولوله ها به صورت فلز عمل می کنند در غیر این صورت نیمه هادی خواهند بود.

6

نانولوله های کربنی تک جداره فقط از کربن و یک ساختار ساده (ورقه ای ازشش ضلعی های منتظم ) تشکیل شده اند . علت علاقه به این نانولوله های تک جداره و تلاش برای جایگزین کردن آن ها در صنعت، بر اساس محاسبات نظری و تاثیرات آزمایشگاهی ، خصوصیات عالی مکانیکی و رسانایی الکتریکی مانند فلزات، می باشد.که البته تولید نانولوله های تک جداره دارای هزینه ی بالایی است و تولید به همراه پایدار کردن خصوصیات آن ها ،در حین فرآوری پلیمر- نانولوله، مشکل می باشد .
برعکس دردسترس و تجاری بودن نانولوله های کربنی چند جداره باعث شده است که پیشرفتهای بیش تری دراین زمینه داشته باشیم، تا حدی که محصولاتی در آستانه تجاری شدن تولید شده است .یکی از معایب نانولوله های چند جداره نسبت به تک جداره این است که، استحکام دهی آنها کم تر می باشد زیرا پیوند های صفحات داخلی ضعیف می باشد .
اما از آنجا که در حال حاضر استفاده از نانولوله ها در تقویت پلیمرها، باعث بهبود خواص گرمایی و الکتریکی می شود ، تا بهبود خواص مکانیکی ، کاربرد نانولوله های کربنی چند جداره بسار زیاد شده است . از طرفی تکنیک های موجود نیز برای تولید نانولوله های تک جداره به اندازه ی کافی بازدهی ندارد و خلوص لازم را به همراه نمی آورد. تخلیص این مواد بسیار زحمت آور است ودر نهایت ممکن است به ساختار نانولوله صدمه بزند .
مزایاو معایب نانو لوله ها
7

اندازه بسیار کوچک
حالت رسانایی و نیمه رسانایی آنها (رسانایی الکتریکی به طور حساس به قطر و زاویه پیچش نانولوله وابسته است)
قدرت رسانایی گرمایی خیلی بالا
سطح جداره صاف یا قدرت تفکیک بالا
بروز خواص الکتریکی و مکانیکی منحصر به فرد در طول آنها
گسیل و جذب نور
نانولوله ها می توانند نور مادون قرمز را جذب و دفع کنند هم چنین تزریق هم زمان الکترون از یک سر و تزریق حفره از سر دیگر نانولوله کربنی ، موجب می شود که نوری با طول موج 1.5 میکرومتر از نانولوله منتشر شود.
چگالی سطحی بسیار بالا (باعث استحکام بالای نانولوله میشود)
داشتن خاصیت ابررسانایی (نانولوله ها در دمای زیر 15 درجه کلوین ابررسانا شده اند. شعاع این نانولوله های ابررسانا فقط 0.4 نانومتر است)
ویژگی های نانولوله های کربنی
8

بعد از آنکه در سال 1991 سامیوایجیما اولین نانولوله را در کربن دوده ای حاصل از تخلیه قوس الکتریکی مشاهده کرد، محققان زیادی در جهت بسط وگسترش روش های رشد برآمده اند تا بتوانند مواد خالص تر با خواص کنترل شده ی موردنظر ، تولید کنند.
در زیر چند روش عمده در سنتز نانولوله ها مورد بحث قرار می گیرد:
روش تخلیه قوس الکتریکی (رایج ترین و شاید ساده ترین روش برای تولید نانولوله های کربنی)
روش تبخیر لیزری (در سال 1995 گروه اسمالی در دانشگاه رایس از تولید نانولوله های کربنی به روش تبخیر لیزری خبر دادند)
رسوب بخار شیمیایی

تولید نانولوله های کربنی
9

تولید انبوه با قیمت مناسب
خالص سازی نانولوله ها
اتصال نانولوله ها و ایجاد رشته ها
جلوگیری از توده ای شدن نانولوله ها
چگونگی حفظ نانولوله ها بعد از فرآوری
کنترل رشد نانولوله ها
یکی از مشکلاتی که برای تولید نانولوله ها ارائه شده است سنتز آن ها در دمای اتاق است که تا کنون به صورت مشکل لاینحلی باقی مانده است که به نظر می رسد با بهینه سازی روش های تولید می توان از این مشکل کاست اما نمی توان بطور کامل آن را رفع کرد. در میان روش های تولید بهترین روش رسوب دهی بخار شیمیایی به نظرمی رسد چرا که تولید انبوه در حد کیلوگرم را میسر می سازد و می توان کنترل قابل قبولی بر مکانیزم رشد داشت.
مشکلات اساسی استفاده از نانولوله ها
10

خواص نوری (Optical properties) نانولوله های کربنی یک موضوع مهم درکاربرد نانولوله ها در ابزارهای اپتوالکترونیکی (Optoelectronic devices) است. این خواص به عنوان یک ابزار قوی در مشاهده و بیان طیف فوتولومینسانس Photoluminescence (Pl) ‎ نانولوله هاست. این خواص هم چنین به عنوان مکملی برای روش هایی چون طیف سنجی رامان و مطالعات میکروسکوپ تونل زنی پویشی ‎ مطرح می شوند.
یک مشخصه ی مهم برای مواد اپتوالکترونیک حضور یک گپ نواری مستقیم(Direct band gap) ‎است. این ویژگی باعث می شود، گذارهای الکتریکی بین نوارهای ظرفیت و رسانش، بدون دخالت فوتون ها انجام شوند.‎از این منظر نانولوله ها به دلیل داشتن یک ساختار نواری با یک گپ نواری مستقیم موادی منحصر بفرد به شمار می روند. بنابراین یک نانولوله می تواند در رویدادهای اپتوالکترونیکی مشارکت کرده و بازه ی گسترده ای از انرژی ها را پوشش دهد.

خواص نوری نانولوله کربنی
11

12

فرض کنید نوری را به یک ماده تابانده ایم و می خواهیم پاسخ نوری ماده نسبت به این تابش را بررسی کنیم.
اولین تجزیه و تحلیل داده های نوری بر پایه ی این فرض بود: قله های جذب در طیف نوری ماده می توانند بر حسب اختلاف انرژی، بین تکینگی های و‎َن-هواو در نوارهای رسانش و ظرفیت رسم شوند.
قله ‎های موجود در نمودار چگالی حالات، تکینگی های وَن-هوف Van Hove Singularities) ( نامیده می شود.
‎در مورد نانولوله ها تجمع حالت ها در VHS‎ باعث می شود، طیف نوری، توسط گذار بین این قله ها بیان شود. هم چنین
قواعد انتخاب مشخص خواهند کرد، قوی ترین گذارهای نوری بین زیرنوارها با تکانه ی زاویه ای یکسان اتفاق می افتند، این بیان انرژی های برانگیختگی ‎ 𝐸 𝑖𝑖 ‎ را ارائه می دهد.

اثرات برانگیختگی
13

14

برای نانولوله های کربنی، اولین بار، یک گراف تئوری بر پایه ی این محاسبات، در سال ‎1999‎ توسط هیرومیچی کاتااورا (Hiromichi Kataura) با استفاده از مدل بستگی قوی، طراحی شد.
یک نمودار کاتااورا (Kataura plot) انرژی های گذار را برحسب قطر نانولوله ها بیان می کند. شکل هر شاخه از نمودار کاتااورا وابستگی قوی خواص نانولوله ها به کایرالیته یعنی (n,m)‎ و قطر لوله را نشان می دهد.

15

کاتااورا در کار خود یک طیف سنجی آزمایشگاهی انجام داد ولی در زمینه نظری، مدلی که وی ازآن استفاده می کرد، مدل بستگی قوی، یعنی یک نظریه تک الکترونی بود. سال ها بعد (در سال 2002) با طیف سنجی های دقیق تری که انجام شد، اگرچه این مطالعات دقیق روی طیف جذب چند نانولوله ی کربنی اثباتی برای برخی از تحلیل های کاتااورا بود، اما در تحلیل های کاتااورا در تقریبی که نوارها در نزدیکی انرژی فرمی خطی هستند، نسبت‎ 𝐸 22 / 𝐸 11 مساوی با ‎2‎ پیش بینی می شد، ولی در نتایج آزمایشگاهی جدید، این نسبت،مقداری کوچکتر از ‎2‎ بدست آورده شده بود. حتی در مورد نانولوله های با قطر بزرگ، که این تقریب به خوبی کار می کند، باز هم این ناسازگاری وجود داشت و این یک نتیجه ی گیج کننده در مورد نانولوله های کربنی تک دیواره به شمار می رفت. این مساله برای نانولوله های کربنی تک دیواره، مساله ی نسبت Ratio problem‎ نام گرفت.
مساله ی نسبت به علاوه ی مشاهده ی کاهش شدت تابناکی برای نانولوله های تک دیواره، از اثراتی بودند که در تصویرالکترون مستقل (Independent-electron) ‎ به سختی قابل فهم بود. علت کمتر بدست آمدن مقدار نسبت 𝐸 22 / 𝐸 11 ‎ در آزمایشگاه، با نظریاتی که تاآن زمان استفاده می شد، قابل توجیه نبود.

16

پیش بینی های اخیر بر پایه ی دیدگاه های نیمه تجربی و محاسبات اصول اولیه ی دقیق وجود اکسیتون های مقید با انرژی بستگی در حد الکترون ولت را در نانولوله های کربنی نیمه رسانا نشان می دهند. به طوری که می توان اثرات مشاهده شده و غیرقابل فهم در طیف نوری نانولوله ها را به وجود آن ها نسبت داد، و با در نظر گرفتن اثرات اکسیتونی، مساله ی نسبت حل خواهد شد، همچنین نتایج نظری با آزمایشگاهی سازگاری قابل قبول تری خواهد داشت. مطالعه ی حالت های اکسیتونی در چارچوب اثرات بس ذره ای بر روی خواص نوری ماده گنجانده می شوند. به همین دلیل، در ادامه تصویر تک ذره ای برای توصیف خواص نوری را در بخش قواعد انتخاب، و اثرات بس ذره ای را در بخش اکسیتون شرح خواهیم داد.
17

در تصویر تک ذره ایSingle-particle) (خواص نوری نانولوله های کربنی می تواند توسط یک هامیلتونی در حضور یک تابش نوری‎ (Optical radiation) ‎ توصیف شود:

‎
p⃗تکانه الکترون , ‎ m‎جرم آن,‎ A⃗ پتانسیل برداری مغناطیسی و‎ U‎شامل تمام بر هم کنش های موجود در سیستم است.
این هامیلتونی در تقریب مرتبه اولِ پتانسیل برداری و با استفاده از پیمانه ی کولن
.∇⃗ به صورت زیر نوشته می شود : A⃗ = 0

خواص نوری نانولوله کربنی /قواعد انتخاب
H= 1 2m (p⃗ ‎+ ‎e c A⃗ ) 2 ‎+‎U
H = 𝐻 0 ‎+‎ e mc p⃗ . A⃗
18

‎‎ 𝐻 0 هامیلتونی در غیاب نور و ترم دوم به صورت یک اختلال برای برهم کنش الکترون و فوتون در نظر گرفته می شود:

برای اینکه ذره ی باردار، یک کوانتوم نور از حالت اولیه ای که ‎ N‎ فوتون با بسامد زاویه ای ‎ ω‎ دارد جذب کند، می نویسیم:

‎
𝑒 ^ جهت قطبش نور و ‎V‎ حجم دستگاه است.‎ k⃗‎بردار موج، در جهت انتشار و به عبارتی عمود بر میدان های الکتریکی و مغناطیسی است.
با استفاده از قاعده ی طلایی فرمی (Fermi's golden rule‎) احتمال گذار بین حالات اولیه و نهایی به صورت زیر داده می شود:

𝐻 𝑒𝑙− 𝑝ℎ (t) = e mc p⃗ .A⃗
A⃗ (r⃗ , t ) = 𝑒 ^ ( 2𝜋 𝑐 2 𝑁ℏ 𝜔𝑉 ) 1/2 e i(k⃗ .r⃗ ‎−‎ωt)
Γ 𝑖→𝑗 = 2π ℏ δ( E f − E i −ℏω) |⟨f| 𝐻 𝑒𝑙− 𝑝ℎ | i⟩| 2
19

تابع دلتا در این معادله برای گذارهای نوری نوار به نوار
(Band-to-band) قانون بقای انرژی را می دهد.
برای محاسبه درایه های ماتریسی، ما دو نمونه ی خاص را در نظر می گیریم:
نور موازی محور نانولوله ( e ^ = z ^ )
نور عمود بر محور نانولوله ‎( e ^ = φ ^ )

20

درایه های ماتریسی، ناشی از برهم کنش الکترون – فوتون در نانولوله، می تواند به صورت زیر در نظر گرفته شود:
⟨q,J,c| 𝐻 𝑒𝑙−𝑝ℎ ∣q′,J′,v⟩= ( 2𝜋 𝑐 2 𝑁ℏ 𝜔𝑉 ) 1/2 × 𝑒 𝑚𝑐 ⟨q,J,c|(p⃗ . 𝑒 ^ ) 𝑒 𝑖𝑘⃗ .𝑟⃗  ∣q′,J′,v⟩
‎ |q,J,c⟩‎ یک تابع موج برای یک الکترون با بردار موج محوری ‎ q‎ در زیرنوار رسانش J ‎و‎ | q,J,v⟩‎ برای نوار ظرفیت است.
چون شعاع نانولوله خیلی کوچکتر از طول موج نور است فاکتور نمایی در معادله ی بالارا یک فرض می کنیم (تقریب دوقطبی الکتریکی) بنابراین داریم:
⟨f| 𝐻 𝑒𝑙− 𝑝ℎ |i⟩ = ( 2𝜋 𝑐 2 𝑁ℏ 𝜔𝑉 ) 1/2 × ⟨q,J,c| 𝑃 𝑧 ∣∣q′,J′,v⟩

‎⟨f| 𝐻 𝑒𝑙− 𝑝ℎ |i⟩ = ( 2𝜋 𝑐 2 𝑁ℏ 𝜔𝑉 ) 1/2 × ⟨q,J,c| 𝑃 𝜑 ∣ q′,J′,v⟩

21

توابع موج برای یک نانولوله ی کربنی توسط رابطه ی زیر داده می شود:
|q,J,h⟩= ψ 𝐽𝑞 ℎ (r⃗ )= 1 2 [ ϕ 𝐴𝐽𝑞 (r⃗ ) ‎+‎ λ 𝐽𝑞 ℎ ϕ 𝐵𝐽𝑞 q(r⃗ )]
بنابراین درایه های ماتریس تکانه برای قطبش موازی به صورت زیر بدست می آیند:
⟨q,J,c| 𝑃 𝑧 ∣ q′,J′,v⟩ = 𝛿 𝐽,𝐽′ 𝛿 𝑞, 𝑞′ Re ( λ 𝐽𝑞 𝜐 𝑖=1,2,3 𝛼 𝑖 e −𝑖𝑞𝛿 𝑧 𝑖 e −𝑖𝑗𝛿 𝜑 𝑖 ) *
برای بدست آوردن این عبارت فرض کرده ایم که درایه های ماتریس تکانه تنها برای اربیتال های جایگزیده روی نزدیکترین همسایه ها، غیر صفر است. در این رابطه ‎ 𝛿 𝑧 𝑖 و ‎𝛿 𝜑 𝑖 ‎ اختلاف بین مختصات محوری و سمتی اتم های نزدیکترین همسایه را نشان می دهند.
هم چنین ضرایب ‎ 𝛼 𝑖 به صورت زیر داده می شوند:
αi = 0 2𝜋 𝑑𝜑 0 ∞ 𝑟𝑑𝑟 −∞ +∞ 𝑑𝑧 χ 𝑟⃗ 𝐴 ∗ (r⃗) iℏ d dz χ 𝑟⃗ 𝐴 ‎+ ‎𝜌⃗ 𝑖 (r⃗) 

22

مهم ترین نکته در اینجا ظاهر شدن شرایط ‎ J=J′‎ و‎ q=q′‎ در معادله ی * است.
این شرط نشان می دهد گذارهای نوری با قطبش موازی، بین زیرنوارهایی اتفاق می افتد که بردارموج متقارن و محوری یکسان دارند.این بیان انرژی های گذار 𝐸 22 ‎ ‎و‎ 𝐸 11 ‎ را می دهد.

شکل1: انرژی های گذار اول و دوم برای نور قطبیده شده موازی محور نانولوله کربنی بر حسب شعاع نانولوله

23

نانولوله ها در تمام زیرنوارهای خود یک گپ نواری مستقیم دارند، بنابراین بقای انرژی و تکانه در تمام زیرنوارها می تواند بدون مداخله ی فوتون ها صورت گیرد.
برای قطبش عمود، محاسبه ی درایه های ماتریسی تکانه زاویه ای ساده تر است، زیرا عملگر تکانه تنها عدد کوانتومی ‎ J‎را یک واحد تغییر می دهد:
⟨q,J,c| p 𝜑 | q′,J′,v⟩ ∝ ⟨q,J,c|1|q′,J′±1,v⟩= 𝛿 𝑞, 𝑞′ 𝛿 𝐽,𝐽′±1
علامت ‎±‎ به راستگرد و چپگرد بودن قطبش بستگی دارد.
بنابراین گذارهای نوری با قطبش عمود، بین زیرنوارهایی اتفاق می افتد که عدد کوانتومی آن ها به اندازه ی یک واحد اختلاف دارند. این بیان، انرژی های گذار ‎ 𝐸 12 ‎ و ‎ 𝐸 21 ‎را ارائه می دهد.

24

شکل2: انرژی های گذار اول و دوم  برای نور قطبیده شده عمود بر محور نانولوله کربنی بر حسب شعاع نانولوله
25

شکل زیر تصویر ساده ای از تولید اکسیتون را نشان می دهد. یک الکترون یک فوتون را جذب کرده و به تراز بالاتر برانگیخته می شود و یک بار مثبت ‎(حفره)‎ را باقی می گذارد.

نمایی از تشکیل اکسیتون

در اکثر مواد، خواص نوری به خوبی توسط تصویر تک ذره ای و گذارهای نوار-به-نوار توصیف می شوند.
برای مواد با ابعاد کاهش یافته مانند زنجیرهای پلیمری، اثرات بس ذره‎ ای (Many-body) بر خواص نوری تاثیر خواهند گذاشت و نانولوله های کربنی از این امر مستثنی نیستند.
مهم ترین تاثیر اثرات بس ذره ای بر روی خواص نوری، اکسیتون ها هستند.
اکسیتون حالت مقیدی از یک الکترون-حفره است، که این الکترون-حفره یکدیگر را با یک برهم کنش کولنی جذب می کنند.

خواص نوری نانولوله کربنی / اکسیتون
26

اکسیتون یک سیستم دو ذره ای شامل یک الکترون و یک حفره است.
اکسیتون بار ندارد ولی با این حال حرکت اکسیتون در یک ماده انرژی را انتقال می دهد.
از دو ذره ی اسپین 1/2 تشکیل شده است در نتیجه اسپین آن یا یک و یا صفر است .
در برخی مقالات اکسیتون را با شکل روبرو نشان می دهند. نمایی از اکسیتون
ما بحث اثرات بس ذره ای را با مطالعه ی حالت های اکسیتونی در نانولوله های کربنی شروع می کنیم. در تقریب تک الکترونی، الکترون ها به طور مستقل در یک پتانسیل متناوب حرکت می کنند. در نیمه رساناها و عایق ها نوارهای اشغال شده ی ظرفیت از نوارهای خالی رسانش، با یک گپ انرژی جدا می شوند. الکترون برای گذار به نوار بالاتر، به این انرژی نیاز دارد (انرژی گذار). اثرات بس ذره ای این تصویر فیزیکی را اصلاح می کنند: الکترون اضافی در نوار رسانش و حفره در نوار ظرفیت، می توانند به عنوان یک میدان شبه کولنی در حال برهم کنش در نظر گرفته شوند، به طوری که امکان تولید حالت های اکسیتونی با انرژی کمتر از انرژی گپ ‎وجود دارد.

27

انرژی بستگی اکسیتون بسته به نوع ماده به شدت متفاوت است، هم چنین در فلزات، بدلیل استتار فلزیِ برهم کنش الکترون-حفره، انرژی بستگی اکسیتون خیلی کوچک و حتی در مواردی در حد صفر است.
بر اساس مقدار این انرژی بستگی، اکسیتون ها را نامگذاری می کنند. به طور کلی بسته به طبیعت ماده، اکسیتون ها به سه دسته تقسیم می شوند: اگر فاصله ی بین الکترون و حفره کمتر از فاصله بین دو اتم باشد، اکسیتون تشکیل شده را فرنکل Frenkel می نامند. این نوع اکسیتون، انرژی بستگی بالایی دارد.
اگر فاصله ی الکترون و حفره ی تشکیل شده بیشتر از فاصله ی بین دو اتم باشد این نوع اکسیتون را ونیر-مات Wannier-Mott ‎ می نامند. این اکسیتون، انرژی بستگی پایینی دارد.
حالت بین این دو یعنی زمانی که فاصله ی بین الکترون و حفره به اندازه ی فاصله ی جدایی بین دو اتم باشد، تشکیل اکسیتون انتقال دهنده بار (Charge transfer) ‎ را می دهد.

28

(aاکسیتون فرنکل (b اکسیتون ونیر-مات (c اکسیتون انتقال دهنده بار در نانولوله های کربنی نیمه رسانا، اکسیتون ها بر طیف نوری تاثیر قابل توجه و بسزایی دارند.
29

یک روش جدید برای اصلاح خواص نوری و الکترونی فیلم نانولوله کربنی تک دیواره از طریق یک مرحله پر کردن نانولوله با مولکول های پذیرنده بیگانه cucl) , ید ) ارائه شده است.
فیلم اصلاح شده با استفاده از روش خطی (جذب نوری UV-VIS-NIR و پراکندگی رامان ) و غیر خطی(پمپ – پروب) طیف سنجی نوری مشخص می شود.
طیف سنجی نوری وسیله ای حساس است برای نظارت بر خواص الکترونیکی نانولوله های کربنی تک دیواره (SWNTs)در این کار یک روش جدید برای تحریک خواص رسانایی نانولوله ها (از نیمه هادی نوع فلزی ) ارائه شده است. این مقدمه ا ی است ازمولکول های مختلف یک فاز گازی (پذیرنده الکترون) داخل فضای داخلی نانولوله.
مولکول های جدید ساختارهای مختلفی را بسته به قطر و شکل هندسی نانولوله میزبان تشکیل می دهند ( شکل 1 ) در نتیجه، الکترونها به سمت این ساختارهای داخلی جدید، حرکت می کنند و سطح فرمی یک نانولوله میزبان به باند ظرفیتی منتقل می شود. این باید مقاومت الکتریکی مواد را کاهش دهد. اگر چه اندازه گیری های الکترو فیزیکی برای نانولوله تو پر کاملاً نادر است.

خواص نوری خطی و غیر خطی نانولوله های کربنی تک دیواره پر شده
30

شکل (2)
SWNTs برایUV-VIS-N1R طیف جذب نوری
قبل (سیاه) و بعد (قرمز) پر کردن با CuCI.

شکل ( 1 )
با میکروسکوپ الکترونی با رزولوشن بالا
تصویر SWNTs پر شده با cucl (با قطر متوسط 2.2 نانومتر)
تشکیل شده در داخل نانولوله های کریستالی یک بعدی.

31

طیف فوتولومینسانس اندازه گیری شده از فیلم MWCNTs نشان می دهد که دو نقطه اوج انتشار در طول موج 450 نانومتر و 470 نانومتر وجود دارد در حالی که MWCNTs به ترتیب توسط فوتون 675 نانومتر و فوتون 704 نانومتر برانگیخته شده اند.
دریافتند که اثرات نوری غیر خطی نانو لوله های کربنی مانند فوتولومینسانس وجذب، به طور عمده به فرآیند گرمایی خود نسبت داده شده اند. طیف فوتولومینسانس و جذب MWCNTs توسط Margaret E. Brennan و همراهان او به دست آمد.
محدود کننده نوری یک مشخصه جالب از CNT ها می باشد اما مکانیسم محدود کننده نوری کاملا پیچیده است.در نتیجه، خواص نوری غیر خطی CNT ها باید به لحاظ نظری و تجربی بررسی شود.

خاصیت نوری غیر خطی فیلم نانولوله های کربنی چند جداره هم تراز
32

شکل 2 طیف فوتولومینسانس فیلم MWCNTبه ترتیب توسط 675 نانومتر و 704 نانومتر برانگیخته

فوتولومینسانس نشان می دهد که نقطه اوج انتشار فیلم 450 MWCNT نانومتر در طول موج برانگیختگی 675 نانومتر است و 470 نانومتر در طول موج برانگیختگی 704 نانومتر می باشد. با این وجود، جزئیات بیشتر نشان می دهد که شدت اوج فوتون طول موج 470 نانومتر تقریبا دو برابر شدت فوتون طول موج 450 نانومتر است این نتیجه با دیگر آزمایش های محققان که تنها یک نقطه اوج انتشار در گزارش خود مشاهده می کردند, متفاوت است.

33

شکل (3 ) طیف جذب MWCNT است. بعضی از رفتارهای جذب MWCNT ارائه شده است :
1) در ناحیه ماوراء بنفش, یک دره در طول موج 325 نانومتر وجود دارد
2) جذب آشکار در منطقه مادون قرمز می تواند یافت شود.
3) دو نقطه اوج واضح تا 450 نانومتر و 550 نانومتر در ناحیه مرئی وجود دارد
4) دره دوم در طیف جذب با شدت جذب حداقل مربوط به 470 نانومتر یافت می شود.

34

شکل (4) شماتیکی از مکانیزم برای خواص نوری MWCNTs

یک مدل انرژی برای توضیح جذب معقولانه چند فوتون از MWCNTs پیشنهاد گردید.
دو ( Van Hove Singularities) VHS در مدلی که ذکر شده دیده می شود:
نقاط تکین ون- هاو 1 (VHS1) و نقاط تکین ون – هاو 2 (VHS2)
بر اساس این مدل، یک مکانیسم معقول برای لومینسانس می توان ارائه داد. 
 نتیجه گیری
جذب مادون قرمز یک ویژگی از نانو لوله های کربنی چند دیواره است.

35

ieeexplore.ieee.org
ganj.irandoc.ac.ir
freepapers.ir
sciencedirect.com
منابع
36

با تشکر از توجه شما