Unravelling the electronic properties of sorted single wall carbon nanotubes: pristine, intercalated and filled.

Gegenstand der vorliegender Arbeit ist die Untersuchung von optischen und elektronischen Eigenschaften einwandiger sortierter Kohlenstoffnanorohrchen(EWKNR), sowohl undotiert als auch interkaliert mit K oder endohedral gefullt mit Eu. Die Proben werden charakterisiert mittels optischer Absorption (OA), Photoluminescence (PL) und Raman-Spektroskopie. Hochenergetische spektroskopische Techniken wie Photoemission (PES) und Rontgenabsorption (XAS) geben Zugang zu den Rumpfniveaus, Valenzband und Leitungsband und enthullen die elektronische Feinstruktur. Die Formanalyse der XPS-Linie liefert Informationen uber den chemischen Zustand und Bondumgebung. Dunne EWKNR-Folien, sortiert nach dem metallischen Zustand, sind der Schlussel zum Studium der elektronischen Bandstruktur hochsauberer metallischer und hochsauberer halbleitender EWKNR mittels hochenergetischer Spektroskopie. Die Position der Van Hove Singularitaten (VHS) unserer experimentellen elektronischen Struktur des Valenzbandes, erhalten durch Photoemissionsspektroskopie, und des Leitungsbandes, aufgezeichnet mit hochauflosender Rontgenabsorption, stimmt gut mit den ,,diameter cumulative tight binding”-Berechnungen uberein. Unterschiede werden durch unterschiedliche Austrittsarbeit metallischer und halbleitender EWKNR und durch starke ,"core hole”-Effekte bei der ,"XAS bulk”-Antwort erklart. Im hochsauberen metallischen Film beobachteten wir in der Nahe vom Fermi-Level eine "Tomonaga Luttinger liquid (TLL) power law”-Renormalisierung. Diese Bandstruktur wurde durch Hinzufugung neuer elektronischer Zustande geandert. Eine erste Elektronendonator-Addition wurde durch Interkalierung von Kalium realisiert. Beim Vergleich von hochenergetischen PES und XAS-Spektra von verschiedenen aufeinanderfolgenden Interkalierungsstufen in einer hochsauberen metallischen und einer hochsauberen halbleitenden EWKNR-Folie war es uberraschend zu sehen, dass die Ubergange zu einem dreidimensionalen Verhalten bei den halbleitenden Rohrchen schon bei niedrigeren Dotierungslevels stattfand als bei den Metallischen. Das konnte wie folgt erklart werden: der Ubergang von einem eindimensionalen TLL-Grundzustand metallischer EWKNR zu einem dreidimensionalen Fermi-Liquid ist erst dann moglich, wenn der Dotierungslevel die erste unbesetzte VHS erreicht. Der Energielevel dieser ersten VHS ist fur halbleitenden EWKNR niedriger als fur Metallische. Eine endohedrale Fullung dieser hochsauberen EWKNR-Folien und eines alteren Buckypapers der beide Rohrchennarten gefullt mit Europium ermoglichte uns eine zweite Methode der n-type Dotierung. Eine Zunahme der C1s Bindungsenergie und eine Verbreiterung ihrer Halbwertsbreite deutete auf eine "finite” Hybridisierung der Europiumzustande mit den EWKNR hin. Neben den konventionellen PES und XAS-Aufzeichnungen wurde eine Kombination von Resonanz-PES mit XAS durchgefuhrt, die enthullte, dass der effektive Valenzzustand des Europiums hochstwahrscheinlich wegen einer zugenommenen Hybridisierung zwischen den Pi-Zustanden des Rohres und den Orbitalen des Europiums reduziert ist. Fur p-type Interkalierung wurde FeCl3 als Elektronenakzeptor verwendet. Der hochdotierte Bereich der (gemischten) laserablatierten EWKNR wurde mittels Resonanz-Raman-Spektroskopie erforscht. Die Hochverschiebung des G+ stimmt mit vorangegangenen Forschungsarbeiten und der Literatur uberein, genau so wie die Dispersion des D- und G’- Bandes bis einen Dotierungsgrad von 75%. Fur hohere Dotierungsgehalte wurde eine Abnahme der Steigerung Raman shift versus Laserenergie beobachtet. Ein weiterer Teil dieses PhD behandelt das Studium eines Buckypapers, das mittels Co- MoCAT hergestellte EWKNR mit einem Durchschnittdurchmesser von 0.8 nm enthalt. Die erhohte Krummung dieser Rohrchen mit einem kleineren Durchmesser stellt eine neue Herausforderung dar. Eine sorgfaltige Formanalyse des mit PES aufgezeichnete C1s Peaks enthullte eine unterschiedliche Bindungsenergie fur (6,4) als fur (6,5)-Rohrchen, hochstwahrscheinlich wegen eines unterschiedlichen chemischen Potentiales aufgrund ihrer vergrosserten Krummung. Das mit XAS registrierte Leitungsband zeigte die fruher beobachtete Feinstruktur uber dem 2 eV abwarts verschobenen pi* Resonanz-Peak. Neue umfangreiche ,"state of the art” ab initio Berechnungen wurden fur die Zustandsdichte (DOS) der (6,4) und (6,5)-EWKNR durchgefuhrt und stimmen gut mit der beobachteten elektronischen Struktur uberein. Die vorhandenen Rohrchenarten in dieser sogenannten (6,4), (6,5) angereicherten Folie der EWKNR wurden mittels optische Absorption identifiziert. Der Vergleich der OA, PL und Raman-Spektra einer wassrigen Suspension dieser Folie offenbarte, dass die registrierten Ubergangsenergien Eii fur EWKNR gleich waren, die relativen Intensitaten aber unterschiedlich. Basierend auf dem grosso modo 1 zu 1 Verhaltnis, festgestellt mittels PES, kann man sagen, dass Raman-Spektroskopie fur eine quantitative Identifizierung der EWKNR zumeist verlasslich ist. Durch Kombination und Vergleich dieser Messungen mit einem Referenzmuster kann die kumulierte Information uber die Wirkungsquerschnitte jeder Methode erhalten werden. Der gemeinsame Nenner dieser Forschungsarbeiten war der Wunsch nach einer tieferen Einsicht in den fundamentalen metallischen Grundzustand dieser quasi-eindimensionalen Systeme aus reinen, interkalierten und gefullten EWKNR.