Nanoscale optical imaging of electronic and vibronic states in carbon nanotubes

• Antragsteller: Professor Dr. Achim Hartschuh
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2006 bis 2010
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 24779302

• Erstellungsjahr: 2011

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Ziel dieses Projekts war die Untersuchung der elektronischen und vibronischen Zustände einzelner Kohlenstoffnanoröhren (single-walled carbon nanotubes, SW-NTs) mittels hochauflösender Spitzen-verstärkter Nahfeld-Mikroskopie (tip-enhanced near-field optical microscopy, TENOM). Im Rahmen des Projekts erzielten wir optische Aufnahmen einzelner SWNTs auf Oberflächen mit einer räumlichen Auflösung von ca. 15 nm, weit unterhalb der Beugungsgrenze von ca. 300 nm. Neben der Detektion des Ramansignals gelang uns im Fall halbleitender SWNTs ebenfalls die Beobachtung der Photolumineszenz (PL). Während die Beobachtung der PL der Nanoröhren direkte Aussagen über ihre elektronischen Eigenschaften ermöglicht, liefert die Ramanspektroskopie wesentliche Informationen über vibronische Eigenschaften und Struktur. Den Einfluss der Umgebung auf die lokale Energie von Exzitonen, der Anregungszustände halbleitender Nanoröhren, zeigen Photolumineszenz-Bilder. Die Ummantelung von SWNTs mit DNA-Strängen führt dabei zu einer signifikanten Absenkung der Exzitonen-Energien auf einer Nanometer-Längenskala. Unsere Messungen zeigen, dass durch die lokale PL-Detektion bereits kleinste Mengen von DNA nachgewiesen werden können. Die Beweglichkeit von Exzitonen führt zu einem Rückgang der PL-Intensität in der Umgebung von Defekten und Nanoröhren-Enden im Bereich von ± 50 nm. Die Beobachtung besonders heller PL-Bereiche mit einer Ausdehnung von wenigen 10 Nanometern entlang von Nanoröhren war zunächst unerwartet und konnte durch eine effiziente Lokalisierung von Exzitonen erklärt werden. Nahfeldoptische Untersuchungen und numerische Modellierung der diffusiven Exzitonen-Bewegung belegen diese Beschreibung. Defekte in Nanorohren führen zu einem charakteristischen Ramansignal, welches in der Literatur seit vielen Jahren zur Bestimmung der Defekt-Konzentration in graphitischen Materialien verwendet wird. Mit Hilfe der intensiven Spitzen-verstärkten Felder kreierten wir zunächst einzelne Defekte in metallischen Nanoröhren und untersuchten diese anschließend mittels TENOM. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Ramanstreuung nur in einem sehr kleinen Längenbereich von weniger als 2 nm um einen Defekt auftritt. Basierend auf unseren Messungen konnten wir einen neuen Skalierungsfaktor zur Bestimmung der Defektkonzentration aus Raman-Daten ermitteln. Untersuchungen zu einem möglichen Einfluss der Signal-verstärkenden Metallspitze auf die Photolumineszenz-Energie zeigten, dass diese nicht beeinflusst wird. Wir konnten allerdings beobachten, das die Verstärkung der PL-Intensität mit einer Änderung der Abstrahlungsrichtung verknüpft ist. Letzteres demonstriert erstmals direkt die Antennen-Eigenschaften der Metallspitze.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• “Chirality Changes in Carbon Nanotubes Studied with Near-Field Raman Spectroscopy”, Nano Lett. 7, 577 (2007)
  N. Anderson, A. Hartschuh, L. Novotny
  
• “Exciton energy transfer in pairs of singlewalled carbon nanotubes”, Nano Lett. 8, 1363 (2008)
  H. Qian, C. Georgi, N. Anderson, A. A. Green, M. C. Hersam, L. Novotny, A. Hartschuh
  
• “Tip-enhanced near-field optical microscopy”, Angew. Chemie (Int. Edition) 47, 8178 (2008)
  A. Hartschuh
  
• “Visualizing the Local Optical Response of Semiconducting Carbon Nanotubes to DNA-wrapping”, Nano Lett. 8, 2706 (2008)
  H. Qian, P. T. Araujo, C. Georgi, T. Gokus, N. Hartmann, A. A. Green, A. Jorio, M. C. Hersam, L. Novotny, A. Hartschuh
  
• “Probing exciton propagation and quenching in carbon nanotubes with nearfield optical microscopy”, phys. stat. sol. (b) 246, 2683 (2009)
  C. Georgi, M. Böhmler, H. Qian, L. Novotny, A. Hartschuh
  
• “Enhancing and Redirecting Carbon Nanotube Photoluminescence by an Optical Antenna”, Optics Express 18, 16443 (2010)
  M. Böhmler, N. Hartmann, C. Georgi, F. Hennrich, M. C. Hersam, A. Hartschuh
  
• “Probing Exciton Localization in Single-Walled Carbon Nanotubes Using Highresolution Near-field Microscopy”, ACS Nano, 4, 5914 (2010)
  C. Georgi, A.A. Green, M.C. Hersam, A. Hartschuh
  
• “Tip-enhanced Raman spectroscopic imaging of localized defects in carbon nanotubes”, Appl. Phys. Lett. 97, 143117 (2010)
  C. Georgi, A. Hartschuh