Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1484
Main Title: Electron-phonon coupling, vibrational, and optical properties of carbon nanotubes and picotubes
Translated Title: Elektron-Phonon-Kopplung, Schwingungs- und optische Eigenschaften von Kohlenstoff-Nanoröhren und Pikoröhren
Author(s): Machón Valbuena, María
Advisor(s): Thomsen, Christian
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: In dieser Arbeit werden die Elektron-Phonon-Kopplung von Kohlenstoff Nanoröhren und die optischen und Schwingungseigenschaften von Nanoröhren und Pikoröhren untersucht. Kohlenstoff-Nanoröhren können als zu Zylindern gerollte Streifen aus einer Graphitebene betrachtet werden. Die Richtung des Streifens in der Graphitebene und dessen Breite bestimmen die genaue Geometrie der Nanoröhre. Mit ab initio Methoden untersuchen wir die Kopplung von totalsymmetrischen Phononen zum Elektronensystem der Nanoröhren. Diese Kopplung wurde in der Vergangenheit als unabhängig von der Geometrie der Röhre betrachtet. Die Ergebnisse von Raman-Spektroskopie und Photolumineszenz-Messungen erschienen bisher widersprüchlich, wenn man konstante Elektron-Phonon-Kopplung-Matrixelemente annahm. Wir finden jedoch eine starke Abhängigkeit der Matrixelemente von Röhrendurchmesser, Rollwinkel, und Familie. Die Kopplung ist stark für die hochenergetische Mode, und schwächer für die Atmungsmode. Unsere Untersuchungen optischer Eigenschaften von Nanoröhren kleiner Durchmesser zeigen Abweichungen von auf Graphit basierenden Vorhersagen und ermöglichen die Zuordnung von Absorptionsbändern zu konkreten Nanoröhren. (3,3)-Nanröhren absorbieren nicht unterhalb von 3 eV. Diese Röhren, für die eine besonders starke Elektron-Phonon-Kopplung vorhergesagt wurde, wachsen in den Kanälen von Zeolithkristallen. Ramanspektroskopie mit ultravioletter Anregung an solchen Kristallen zeigt qualitative Unterschiede verglichen mit dem bekannten Spektrum von größeren Nanoröhren. Wir erklären diese Unterschiede als Effekt der starken Kopplung, die das Spektrum dominiert. In Verbindung mit Nanoröhren von kleinen Durchmessern studieren wir die Strukturellen, elektronischen und Schwingungseigenschaften von Pikoröhren. Diese hochsymmetrischen Kohlenwasserstoffe ähneln kurzen (4,4) Nanoröhren, können aber gezielt synthetisiert und kristallisiert werden. Wir finden in der Struktur der Pikoröhre sowohl sp2- als auch sp3-Winkel, ein direktes Zeichen für den starken Effekt der Wandkrümmung. Die Kombination polarisationsabhängiger Ramanspektroskopie mit Berechnungen der Schwingungen ermöglichen, atomare Auslenkungsmuster zu den Raman-Peaks im Spektrum zuzuweisen. Wir finden Schwingungen im Bereich der G-Mode von Graphit bzw. der hochenergetischen Mode von Nanoröhren, in großerer Anzahl wegen der Quantisierung entlang der Molekülhauptachse. Wir identifizieren auch eine Ensprechung zur Atmungsmode von Nanoröhren und sp3-artige Schwingungen im Bereich der optischen Schwingung von Diamant.
In this work we study the electron-phonon coupling of carbon nanotubes, and the optical and vibrational properties of nanotubes and picotubes. Carbon nanotubes can be visualized as stripes cut out of a graphitic plane and rolled to a cylinder. The direction of the stripe in the graphitic plane and its width determine the particular geometry of the nanotube. We calculate the coupling of totally symmetric phonons to the electronic system with ab initio methods. The electron-phonon coupling matrix elements were in the past assumed to be independent of the nanotube geometry. However, the results of Raman spectroscopy and photoluminescence measurements appeared contradictory in the constant electron-phonon coupling picture. In fact, we find a strong dependence of the matrix elements on nanotube diameter, rolling angle, and family. The coupling is strong for the high-energy mode, and weaker for the radial breathing mode. Our studies of optical properties of nanotubes with small diameter show deviations from graphite-based predictions, and allow the assignment of absorption bands to particular nanotubes. (3,3) nanotubes do not absorb light below 3 eV. These nanotubes, with a particularly strong predicted electron-phonon coupling, grow inside the channels of zeolite crystals. Raman spectroscopy on such crystals reveals qualitative differences to the spectra of bigger nanotubes. We successfully explain these deviations in terms of strong-coupling effects, which dominate the spectrum. In connection with narrow-diameter nanotubes we study the structural, electronic, and vibrational properties of picotubes. These highly symmetric hydrocarbons resemble short (4,4) nanotubes, but can be synthesized and crystallized in a controlled way. We find in the picotube structure both sp2 and sp3 angles, a direct sign of the strong effect of the wall curvature. Combining polarization-dependent Raman spectroscopy and calculations of the vibrations, we can assign atomic displacement patterns to the Raman peaks in the spectrum. We find modes in the region of the G mode of graphite and the high-energy mode of nanotubes, their number being higher due to the quantization along the main axis of the molecule. We also identify an equivalent to the radial breathing mode of nanotubes and sp3-like modes in the region of the optical phonon of diamond.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-14406
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1781
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1484
Exam Date: 7-Jun-2006
Issue Date: 14-Dec-2006
Date Available: 14-Dec-2006
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): Ab initio Rechnungen
Elektron-Phonon-Kopplung
Nanotubes
Phononen
Ramanstreuung
Ab initio calculations
Electron-phonon-coupling
Nanotubes
Phonons
Raman scattering
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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