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Title in Portuguese: Propriedades das Espumas Grafíticas e dos Nanotubos de Carbono Fo
Author: Barros, Eduardo Bedê
Advisor(s): Souza Filho, Antônio Gomes
Co-advisor(s): Dresselhaus, Mildred Spiewak
Lemos, Vólia
Issue Date: 2006
Citation: Propriedades das espumas grafíticas e dos Nanotubos de Carbono. 2006. 142 f. : Tese (Doutorado) - Centro de Ciências, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza-CE, 2006.
Abstract in Portuguese: Nesse trabalho foram utilizadas as técnicas experimentais de Espectroscopia Raman e Microscopia Eletrônica, e análises de teoria de grupos para estudar as propriedades estruturais, eletrônicas e vibracionais de materiais grafíticos. Um estudo de espectroscopia Raman for realizado em espumas grafíticas observando a dependência com a posição na amostra e com a energia de excitação dos modos Raman com origem de dupla ressonância. Mudanças foram observadas na intensidade relativa da banda D e na contribuição relativa das componentes da banda G0 que se originam da estrutura turbostrática (2D) e da estrutura altamente alinhada (3D) presentes na amostra. Notou-se uma redução linear na intensidade relativa da banda D com o aumento da energia de excitação (EL), em contraste com experimentos anteriores, que obtiveram um depend^encia com E¡4 L . Além disso, a análise da skewness (que é uma medida da assimetria de uma distribuição) do perfil da banda G0 mostrou-se uma boa medida da concentração relativa de graphite 2D e 3D em uma região qualquer da amostra. Uma comparação direta entre a distribuição espacial da intensidade da banda D e da skewness da banda G0 sugere uma forte correlação entre a presen»ca de defeitos estruturais e a alta densidade de graphite 2D. propriedades básicas dos nanotubos de carbono foram revisadas sob a ótica da teoria de grupos. O procedimento de dobramento de zona foi explicado em termos da simetria helicoidal dos nanotubos. A teoria de grupos para os nanotubos quirais e aquirais é apresentada em detalhes e as representações irredutíveis do grupo fator do vetor de onda k são obtidas. Os números quânticos que rotulam essas representações são discutidas em termos dos momenta linear e quasi-angular. Finalmente, os resultados da teoria de grupos são utilizados para entender as propriedades eletrônicas e excitônicas dos nanotubos de carbono. As regras de seleção para a absorção da luz são discutidas para o caso em que a interação elétron{elétron é forte e a energia de ligação dos excitons não pode ser desprezada. Experimentos de microscopia eletrônica de transmissão (TEM) e microdifração de el¶etrons foram realizados em nanotubos de carbono crescidos diretamente na grade de TEM. A identificação (n;m) precisa foi obtida para o caso de uma corda de dois nanotubos. Esse resultado mostra que a técnica de microdifração, passível de ser realizada em qualquer equipamento de TEM, é capaz de fornecer a determinação da estrutura dos nanotubos de carbono na amostra. Finalmente, estudos espectroscópicos foram realizados em nanotubos de carbono tratados com ácidos. Inicialmente, nanotubos de carbono de paredes simples (SWNTs) preparados pela técnica de descarga em arco foram oxidados por meio de um tratamento com ácido nítrico e analizados usando espectroscopia Raman e espectroscopia no infra-vermelho com transformada de Fourier (FTIR). Os resultados de FTIR indicaram que a presença de grupos carboxílicos ¡COOH nas amostras tratadas. Além disso, um aumento na frequência dos modos radiais sugere que os nanotubos de carbono agem como doadores de carga após o tratamento com o ácido, de modo que a transferência de carga ocorre do nanotubo para o grupo carboxílico. Cálculos ab initio de nanotubos de carbono intera- gindo com os grupos ácidos ¡COOH corroboram com essa interpretação. Para melhor compreender os efeitos da transferência de carga nos nanotubos de carbono, experimentos de espectroscopia Raman foram também realizados em misturas de nanotubos de carbono de paredes simples e duplas em diferentes concentrações. Nesse experimento, dois grupos de amostras foram estudados, um foi exposto ao tratamento com H2SO4 e o outro permaneceu sem o tratamento. O H2SO4 é conhecido por agir como um receptor de elétrons na interação com materiais grafíticos. O efeito da dopagem nas propriedades vibracionais e eletrônicas dos nanotubos de carbono foi estudado usando espectroscopia Raman, com diferentes energias de excitação, o que permitiu a análise de diferentes nanonotubos na amostra. Esse estudo também permitiu analisar os efeitos do tratamento nas paredes interna e externa dos nanotubos carbono de paredes duplas.
Abstract: In this work we applied experimental techniques, such as Raman spcetroscopy and electron microscopy, and group theoretical analysis to study the structural, electronic and vibrational properties of graphitic materials. A Raman spectroscopy study of graphitic foams was performed for probing the spatial and laser excitation energy dependence of the double resonance Raman peaks. We have observed changes in the D band relative intensity, and on the relative contribution from turbostratic (2D) graphite and from highly aligned (3D) graphite to the G0 band. The D band integrated intensity was found to decrease linearly with increasing laser energy (EL), in contrast with previous experiments on nanographite twhich showed a E¡4 L dependence. The calculation of the skewness (which is a measure of the asymmetry of a distribution) of the G0 band pro¯le was found to be a good qualitative measure of the relative density of 2D and 3D graphite in a given region of the sample. The direct comparison between spatial distribution of the D band relative intensity and the skewness of the G0 band, suggests a correlation between the presence of defects and the high density of 2D graphite. We also reviewed the basic properties of carbon nanotubes from the standpoint of group theory. The zone folding scheme is explained in the light of the helical symmetry of the nanotubes. The group theory for chiral and achiral nanotubes is presented in detail, and the irreducible representations of the factor groups of the wavevector k are obtained. The quantum numbers which label those representations are discussed in terms of the linear and quasi-angular momenta. Finally, we extend the results of group theory to shed light on the electronic and excitonic properties of carbon nanotubes. Selection rules for the optical absorption are discussed for the case where the electron{electron interaction is strong and the exciton binding energies cannot be neglected. Trasmission Electron Microscopy (TEM) and electron microdi®raction experiments were performed on carbon nanotubes in small bundles grown directly on the TEM grid. A precise (n;m) identi¯cation was obtained in the case of a two-nanotube rope. This result shows that the microdifraction technique, which can be performed on any simple TEM apparatus, can be used to provide structural determination of the carbon nanotubes in the sample. Finally, spectroscopic studies were performed in acid treated carbon nanotubes. Initi- ally, Single-wall carbon nanotubes (SWNTs) prepared by the arc discharge method were oxidized using nitric acid. The samples were analyzed by using Raman scattering and Fourier transformed infrared spectroscopy (FTIR). The FTIR results indicate the pre- sence of ¡COOH acid groups in the treated samples. The up shifts observed in the radial breathing mode frequencies suggest that SWNTs behave as donors after the acid treat- ment, with charge transfer occurring from the nanotubes to the ¡COOH groups. Ab initio calculations of SWNTs interacting with ¡COOH acid groups support the charge transfer process from the nanotubes to the carboxyl groups. To better understand the charge transfer e®ects on carbon nanotubes, Raman spectroscopy experiments were also performed on a mixture of Single-wall and Double-wall carbon nanotubes for di®erent relative concentrations. In this experiment, two sets of samples were analyzed, one which was exposed to H2SO4 for 5 s and one which is pristine. The H2SO4 is known to act as an acceptor for the electrons of graphitic materials. The e®ect of the hole doping on the vibrational and electronic properties of the double and single-wall carbon nanotubes is probed using Resonant Raman scattering with di®erent excitation energies probing di®e- rent nanotubes. The doping e®ects on the inner and outer walls of double-wall nanotubes is also discussed.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/7233
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