title: Photoluminescence studies on double-walled carbon nanotubes
Creators: name: Rohringer, Philip Alexander
Publisher: name: :none
Year: 2014

description: Diese Arbeit beschäftigt sich mit doppelwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren, welche die herausragenden Eigenschaften von mehrwandigen und einwandigen Nanoröhren verbinden, da die äußere Röhre die Innere vor externen Einflüssen schützt. Solch eine Abschirmung kann zum Beispiel für das Wachstum sehr dünner Nanoröhren genützt werden, deren Synthese als einwandige Nanoröhre nur schwer durchzuführen ist. Auf der anderen Seite wiederum werden die optischen Eigenschaften der inneren Röhren maßgeblich durch die äußeren Röhren beeinflusst. Speziell die Frage, ob innere Röhren Photolumineszenz zeigen können, wird seit Jahren heftig debattiert. Wechselwirkungen zwischen den beiden Nanoröhren sollen verantwortlich sein, dass Fluoreszenz von inneren Röhren nicht stattfinden kann und dass jegliche gemessene Photolumineszenz tatsächlich von einwandigen Nanoröhren stammt, die als Verunreinigungen in Probe vorhanden sein können. Ein offensichtliches Problem in der Einschätzung dieses Problems liegt bei den vielen, sehr unterschiedlichen Methoden, wie Kohlenstoff-Nanoröhren hergestellt beziehungsweise in Lösung gebracht werden, was einen objektiven Vergleich der Studien zu diesem Thema unmöglich macht. Um dieser Frage nachzugehen wurden Proben aus doppelwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren, welche mit der selben Synthesemethode hergestellt wurden, auf verschiedene Arten in Lösung gebracht. Die erwähnten unterschiedlichen Resultate in der Literatur konnten reproduziert werden, was die Abhängigkeit der optischen Eigenschaften der inneren Röhren von der Probenpräparation bestätigt. Durch die Anwendung von Dichtegradienten-Zentrifugierung auf Lösungen von doppelwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren können die inneren Röhren aus den äußeren Röhren extrahiert werden. Dieser Prozess hängt stark von der vorausgehenden Ultraschallbehandlung der Nanoröhren ab. Niedrige Ultraschallleistung bewirkt, dass dünne Nanoröhren zwar geschnitten werden, größere und daher stabilere Nanoröhren aber nicht. Dies wiederum führt dazu, dass nur diejenigen inneren Röhren extrahiert werden können, deren Durchmesser gering ist. Des weiteren konnte gezeigt werden, dass die Effizienz der Photolumineszenz von doppelwandigen Nanoröhren etwa 50 mal niedriger ist als jene von einwandigen Nanoröhren. Daraus folgt, dass es in diesem Fall wesentlich mehr nicht-radiative Zerfallskanäle für die beteiligten Exzitonen gibt. Ein alternativer Ansatz um Photolumineszenz von inneren Röhren nachzuweisen besteht darin, diese zu füllen um so selektiv die Intensität von Nanoröhren zu verstärken. Diese Herangehensweise basiert auf zwei kürzlich durchgeführter Studien unserer Arbeitsgruppe: Erstens konnte gezeigt werden, dass die optischen Eigenschaften von einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren modifiziert werden, wenn sie mit Ferrozen gefüllt werden. Abhängig von ihrem Durchmesser wird die Intensität der Photolumineszenz erhöht. Die inneren Röhren von doppelwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren sind zwar zu eng um sie mit Ferrozen zu füllen, allerdings können sie als Reaktoren für das Wachstum von linearen Kohlenstoffketten (Polyyne) eingesetzt werden. In einer zweiten Studie konnte unsere Gruppe zeigen, dass auf diese Art Kohlenstoffketten in großer Anzahl hergestellt werden und diese aus bis zu 150 miteinander verbundenen Kohlenstoffatomen bestehen können. Das Füllen von doppelwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren mit Polyynen maximaler Länge ist ein weiterer Forschungsschwerpunkt unserer Arbeitsgruppe und mein Anteil bestand in der Optimierung der Parameter für das Kettenwachstum. Für diese Doktorarbeit analysierte ich, wie Ladungstransfer und Wachstumsrate der linearen Kohlenstoffketten die Photolumineszenzeigenschaften von verschiedenen inneren Röhren beeinflussen. Mit Hilfe von Raman-, Absorptions-, und Photolumineszenzspektroskopie konnte ich nachweisen, dass die Verstärkung der Intensität der Photolumineszenz im Vergleich zu nicht gefüllten Nanoröhren stark mit der Längenverteilung der Polyyne zusammenhängt und dass diese Verstärkung vom Durchmesser der Nanoröhren abhängt. Das Verstärkungsmaximum konnte bei den (8,3) inneren Röhren ausgeheizt bei 1400°C beobachtet werden und die Lumineszenz dieser Spezies ist bis zu 6 mal höher als jene der ungefüllten Nanoröhren. Dies kann durch einen lokalen Ladungstransfer von den Ketten zu den inneren Röhren erklärt werden, was bewirkt, dass die Anzahl der nicht strahlenden Zerfallskanäle für Exzitonenrelaxation reduziert wird und somit die Effizienz der Photolumineszenz erhöht wird. Diese Erkenntnisse können Eingang finden in der weiteren Entwicklung optoelektronischer Bauelemente wie zum Beispiel Solarzellen basierend auf Nanoröhren oder im Einsatz von Nanoröhren als Kontrastmittel für bildgebende Verfahren im biologischen oder medizinischen Bereich.