Рисунок 4 показывает схематичное представление конфигурации темного поля для спектроскопии рэлеевского рассеяния. Чтобы оптимизировать сигнал, нужно естественных путем добиться точной фокусировки возбуждающего лазерного луча и достижения большого телесного угла для упруго рассеянного света. Это можно достичь с помощью пары объективов, расположенных так, чтобы исключить не нужное для спектров возбуждающее излучение.
Рисунок 4. Принципиальная схема измерений рэлеевского рассеяния. Объективы фокусируют падающий свет на подвешенной нанотрубке и собирают излученный рассеянный свет. Используя суперконтинуумный лазер вместе со спектрометром и CCD-камерой, мы можем регистрировать различные длины волн.
Две определенные особенности, позволяющие получать спектры высокого качества за очень короткие промежутки времени, были введены в данную методику. Первая заключается в исследовании свободно подвешенных нанотрубок, расположение которых не дает фонового рассеяния света; вторая особенность – это использование суперконтинуумного лазера, который помогают получать спектры по всем возможным длинам волн.
Образцы свободно подвешенных нанотрубок для измерений рэлеевского рассеяния подготовлены посредством химического осаждения газовой фазы на кремниевой подложке, в которой был сделан сквозной разрез стандартными техниками микрообработки. Рисунок 5 - это изображение в электронном микроскопе отдельной подвешенной нанотрубки, пересекающей такой разрез. Ширина щели может отличаться в зависимости от экспериментальных требований, но обычно не превышает 10 микрон, чтобы убедиться в отсутствии существенного рассеяния от случайного освещения подложки лазерным светом. Длина щели (перпендикулярная к нанотрубкам) может достигать 1 мм, таким образом одну щель можно подготовить для изучения сразу нескольких отдельных нанотрубок.
Рисунок 5. Электронный микроснимок отдельной подвешенной одностенной углеродной нанотрубки. Образец подготовлен посредством химического осаждения газовой фазы и подложки с щелью в ней. Стандартная ширина щели - 10 микрон, а длина около – 1 мм.
Подготовка образцов не требует каких-либо деликатных манипуляций, чтобы нанотрубки стали «мостами» через щель. Во время химического осаждения газовой фазы на подложку помещается металлический катализатор, так что нанотрубка вырастает на расстоянии от щели. Далее нанотрубки растут под газовым потоком, направленным от катализатора к щели. Пока нанотрубки растут, они следуют направлению газа, протекающего над подложкой. Когда поток газа заканчивается, нанотрубки падают на подложку, и, если они достаточно длинные, то пересекают щель. Образцы подготовлены с использованием нескольких разных катализаторов, таких как железные и кобальтовые пленки, и различных газов: этанол и метан. Совмещение газов и катализаторов производится с уверенностью в том, что нанотрубки встречаются редко в области щели, таким образом только одна одностенная углеродная нанотрубка нормально попадет в размер сфокусированного лазерного луча (~1 нм).
Вторая особенность заключается в использовании оптимизированного источника света. Чтобы получить нужную спектральную информацию от рэлеевского рассеяния, мы должны просканировать длину волны света, претерпевшего рассеяние. Безусловно, это можно сделать с помощью туннельного лазера, как это делается при фотолюминисцентном излучении, возникающем в рамановской спектроскопии. Но в то же время этот процесс относительно долгий и утомительный, когда нужно задействовать весь спектр частот. Так как мощность света, необходимого для обнаружения упруго рассеянного света, низка, ученые показали возможность использовать лазер с широким диапазоном частот для мгновенного измерения рэлеевского рассеяния по всем возможным длинам волн. С ярким источником с широкой рабочей зоной можно использовать параллельное мультиканальное детектирование, чтобы получить спектр целиком за один раз. Нужно заметить, что этот метод косвенно предполагает, что интенсивность упруго рассеяннного света превалирует над неупругим вкладом. Это очень хорошее приближение к происходящим одновременно рамановским процессам, так как колебательные взаимодействия малы и процесс комбинационного связан с упругим рассеянием света.
Рисунок 6 отображает результаты рэлеевского рассеяния от некоторых отдельных полупроводниковых и металлических одностенных нанотрубок. Рассмотренные переходы - E₄₄ и E₃₃ в полупроводниковых и M₁₁ в металлических нанотрубках. Заметим в рис. 4 (d) две линии для нанотрубок с индексами (10,10). Это данные двух отдельных измерений разных отдельных нанотрубок. Высокий уровень воспроизводимости измерений таким образом очевиден.
Рисунок 6. Экспериментальные спектры рэлеевского рассеяния для отдельных одностенных нанотрубок с определенными индексами хиральности. Нанотрубки (а) – (с) есть различные полупроводниковые структуры; (d) и (e)-это металлические нанотрубки. Два набора данных для нанотрубки (10,10) за независимые измерения разных нанотрубок. Хиральные индексы всех нанотрубок были определены посредством электронной дифракции.
2.2 Применениеметода
Несмотря на относительно недавнее знакомство с методом спектроскопии рэлеевского рассеяния, применение этого подхода уже показало ряд интересных результатов в отношение оптических свойств одностенных нанотрубок. Далее обсуждаются некоторые выдающиеся исследования, чтобы проиллюстрировать возможности этого метода в снятии спектров с нанотрубки.