Raman- Spektroskopie SEMINAR ZUR EINFÜHRUNG IN EXPERIMENTELLE METHODEN DER FESTKÖRPERPHYSIK.

Raman-SpektroskopieSEMINAR ZUR EINFÜHRUNG IN EXPERIMENTELLE METHODEN DER FESTKÖRPERPHYSIK

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Agenda1. Historisches2. Raman-Streuung3. Raman-Spektrometer4. Raman-Spektroskopie von

Graphen5. Vergleich mit IR-Spektroskopie

1. Historisches

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Historisches Sir Chandrasekhara Venkata Raman

＊ 1888 in Tiruchirappalli (Indien) † 1970 in Bangalore (Indien)

1929 Ritterschlag

1930 Nobelpreis für Physik “for his work on the scattering of light and for the discovery of the effect named after him“

2. Raman-Streuung

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Arten der Raman-Streuung

Inelastische Streuung von sichtbarem Licht an:• Phononen

• Elektronen

• Magnonen

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Streuung an Phononen

Beschränkung auf Streuung an optischen Phononen:

Sichtbares Licht:

Wechselwirkung ausschließlich in 1. Brillouinzone:

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Stokes und Anti-Stokes IStokes-Prozess Anti-Stokes-Prozess

• Phonon wird erzeugt• Verschiebung zu größerem λ

• Phonon wird vernichtet• Verschiebung zu kleinerem λ

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Stokes und Anti-Stokes II

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Mathematische Beschreibung

Quasiimpulserhaltung: Da ⇒

⇒ ⇒

⇒

⇒ Nachweis mit hochauflösenden Spektrometern

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Dispersionsrelationen Dispersionsrelation hat Extremum nahe des Γ – Punktes

⇒ ωq kaum von abhängig

⇒ Linienverschiebung unabhängig von

Beobachtungsrichtung

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Anwendungen• Kohlenstoff und Diamant: Qualitätskontrolle, Chiralität von Nanotubes, Dickenmessung von Graphen

• Pharmazie: Kontrolle im Produktionsprozess

• Halbleiter: Dopinglevel, Kristallqualität

• Kunst: Pigmentanalyse von Fresken

• Archäologie: Analyse ägyptischer Mumien

• Forensik: Identifikation unbekannter Materialien

3. Raman-Spektrometer

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Aufbau• Laser mit sichtbarem Licht

• ND-Filter: neutral-density (Verringerung der Laser-Intensität)

• Edge-Pass: Unterdrückt Rayleigh und Anti-Stokes

• Gelb: LED-Pfad zum Fokussieren

• Grün: Laserpfad

• Photodiode für Autofokus

4. Raman-Spektroskopie von Graphen

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Graphen allgemein • Gitterkonstante: a = 1,44Å

• alle Atome sp2-hybridisiert

• außergewöhnliche mechanische, chemische und elektrische Eigenschaften

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Primitive Einheitszelle

2 Atome pro Einheitszelle→ 3 optische Phononezweige→ 3 akustische Phononezweige

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Aktive Raman-Moden in Graphen

• Nicht alle Linien die laut Impuls- und Energieerhaltung erlaubt sind, sind beobachtbar

• Voraussetzung: Kopplung zwischen Phononen und Photonen

• Photonen rufen Polarisation der schwingenden Atome hervor

• Gitterschwingungen modulieren diese Polarisation

→ Aktive Raman-Mode

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Raman-Spektrum von Graphen

D: Diamond-PeakG: Graphite-Peak2D: Doppelte Raman-Verschiebung wie D

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Dirac-Cones I

D-Band: Intervalley-ProzessD‘-Band: Intravalley-Prozess

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Dirac-Cones II

Zwei mögliche Prozesse für 2D-Band→ doppelt resonanter intervalley-Prozess→ sehr hohe Intensität → doppelte Raman-Verschiebung als D-Peak da 2 iTO-Phononen beteiligt

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Single- und Multilayer Graphen

• Halbwertsbreite (2D) steigt mit Anzahl der Graphen-Lagen (Single-layer: ; Bulk-Graphene: )• 2D-Peak verschiebt sich hin zu größeren

Raman-Verschiebungen

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Doping

•Intensität des 2D-Peaks sinkt mit steigendem Doping

•G-Peak in Richtung größerer Raman-Verschiebung verschoben

5. Vergleich mit IR-Spektroskopie

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Vergleich mit IR-Spektrometer

IR-Spektroskopie Raman-Spektroskopie

Physikalische Grundlage Absorption Streuung

Anregung der Schwingungen

polychromatische Strahlung im IR-Bereich

monochromatische Strahlung (ν0) im sichtbaren

BereichFrequenzmessung absolut relativ zu ν0

Bedingung für Aktivität einer Mode

Änderung des Dipolmoments

Änderung der Polarisierbarkeit

Nutzung Routinemessungen, Messungen von Gasen

Messung von wässrigen Lösungen, Einkristallen,

Polymeren

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Quellen• Drieschner, Simon: Growth of Graphene by Chemical Vapor Deposition, Garching: WSI 2013

• Hunklinger, Siegfried: Festkörperphysik, München: Oldenbourg, 2007

• Devereaux, T.; Hackl, R.: Inelastic light scattering from correlated electrons, Review of modern Physiks, Vol. 79, 2007

• Kim, Youngsoo: Vapor-Phase Molecular Doping of Graphene for High-Performance Transparent Electrodes, Seoul: 2013

• http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1930/raman-facts.html, (Stand: 24.06.2014)

• http://scienceblogs.de/diaxs-rake/2010/10/10/nobelpreis-2010-fur-die-entdecker-von-graphen/, (Stand: 10.10.2010)

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Quellen• http://de.wikipedia.org/wiki/Graphen, (Stand: 02.06.2014)

• http://www.wmi.badw.de/methods/raman.htm, (Stand: 06.01.2012)

• Malard, L.M.: Raman Spectroscopy in Graphene, Physiks Reports 473 (2009)

• http://www.uni-erlangen.de/infocenter/meldungen/2009/forschung/21.shtml, (Stand: 13.05.2009)