Exciton dynamics and biexciton formation in single-walled carbon nanotubes studied with femtosecond transient absorption spectroscopy

Journal of Physical Chemistry C

Volumn 112, Issue 12, 2008, Pages 4507-4516

  Styers Barnett, David J ^a   Ellison, Stephen P ^a   Mehl, Brian P ^a   Westlake, Brittany C ^a   House, Ralph L ^a   Park, Cheol ^b   Wise, Kristopher E ^b   Papanikolas, John M ^a  

^a UNIVERSITY OF NORTH CAROLINA   (United States)

^b NASA LANGLEY RESEARCH CENTER   (United States)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

ABSORPTION BANDS; AMERICAN CHEMICAL SOCIETY (ACS); BI-EXCITONS; BIEXCITON FORMATION; BIPHASIC DECAY; CARRIER (CO); ELECTRON HOLE PAIR (EHP); ELECTRON-HOLE RECOMBINATION; EXCITATION WAVELENGTHS; EXCITED-STATE DYNAMICS; EXCITON DYNAMICS; FEMTOSECOND PUMP PULSES; FEMTOSECOND TRANSIENT ABSORPTION; FEMTOSECOND TRANSIENT ABSORPTION SPECTROSCOPY; GROUND STATE ABSORPTION; INDUCED ABSORPTION; INDUCED TRANSMISSION; LATTICE RELAXATIONS; MONITOR (CO); NONLINEAR OPTICAL (NLO) RESPONSES; PLASMON (CO); PUMP PROBE DELAYS; PUMP PULSES; RED-SHIFTED; SELF TRAPPING (ST); SINGLE WALLED CARBON NANOTUBE (SWCNTA); SINGLE-WALLED CARBON NANOTUBES (SWCNTS); SPECTRA (CO); SPECTRAL SHIFTING; SPECTRAL SIGNATURES; TIME SCALING; TIME-DEPENDENT; TRANSIENT SPECTRUM; TRANSITION FREQUENCIES; WHITE-LIGHT CONTINUUM;

ABSORPTION; CARBON NANOTUBES; DYNAMICS; EXCITONS; FREQUENCY RESPONSE; NANOCOMPOSITES; NANOPORES; NANOSTRUCTURED MATERIALS; NANOSTRUCTURES; NANOTECHNOLOGY; NANOTUBES; PUMPS; SEMICONDUCTOR QUANTUM DOTS; SINGLE-WALLED CARBON NANOTUBES (SWCN); SPECTROSCOPIC ANALYSIS;

ABSORPTION SPECTROSCOPY;

EID: 42449130206     PISSN: 19327447     EISSN: 19327455     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/jp7099256     Document Type: Article

References (87)

1. Dresselhaus, M. S.; Dresselhaus, G.; Avouris, P. Carbon Nanotubes: Synthesis, Structure, Properties, and Applications; Springer: Berlin, 2001.
2. Saito, R.; Dresselhaus, G.; Dresselhaus, M. S. Physical Properties of Carbon Nanotubes; Imperial College Press: London, 1998.
3. Baughman, R. H.; Zakhidov, A. A.; De Heer, W. A. Science (Washington, DC, US.) 2002, 297, 787.
4. Collins, P. G.; Zettl, A.; Bando, H.; Thess, A.; Smalley, R. E. Science (Washington, DC, U.S.) 1997, 278, 100.
5. Appenzeller, J.; Martel, R.; Derycke, V.; Radosavjevic, M.; Wind, S.; Neumayer, D.; Avouris, P. Microelectron. Eng. 2002, 64, 391.
6. Bhattacharyya, S.; Kymakis, E.; Amaratunga, G. A. J. Chem. Mater. 2004, 16, 4819.
7. Derycke, V.; Martel, R.; Appenzeller, J.; Avouris, P. Nano Lett. 2001, 1, 453.
8. Kymakis, E.; Amaratunga, G. A. J. Rev. Adv. Mater. Sci. 2005, 10, 300.
9. Kymakis, E.; Amaratunga, G. A. J. J. Appl. Phys. 2006, 99, 84302.
10. Minoux, E.; Groening, O.; Teo, K. B. K.; Dalal, S. H.; Gangloff, L.; Schnell, J. P.; Hudanski, L.; Bu, I. Y. Y.; Vincent, P.; Legagneux, P.; Amaratunga, G. A. J.; Milne, W. I. Nano Lett. 2005, 5, 2135.
11. Nakazawa, M.; Nakahara, S.; Hirooka, T.; Yoshida, M. Opt. Lett. 2006, 31, 915.
12. Ouyang, M.; Huang, J. L.; Lieber, C. M. Acc. Chem. Res. 2002, 35, 1018.
13. Patyk, R. L.; Lomba, B. S.; Nogueira, A. F.; Furtado, C. A.; Santos, A. P.; Mello, R. M. Q.; Micaroni, L.; Hummelgen, I. A. Phys. Status Solidi RRL 2007, 1, 43.
14. Pradhan, B.; Batabyal, S. K.; Pal, A. J. Appl. Phys. Lett. 2006, 88, 93106.
15. Rozhin, A. G.; Sakakibara, Y.; Namiki, S.; Tokumoto, M.; Kataura, H.; Achiba, Y. Appl. Phys. Lett. 2006, 88, 51118.
16. Rueckes, T.; Kim, K.; Joselevich, E.; Tseng, G. Y.; Cheung, C. L.; Lieber, C. M. Science (Washington, DC, U.S.) 2000, 289, 94.
17. Teo, K. B. K.; Lacerda, R. G.; Yang, M. H.; Teh, A. S.; Robinson, L. A. W.; Dalal, S. H.; Rupesinghe, N. L.; Chhowalla, M.; Lee, S. B.; Jefferson, D. A.; Hasko, D. G.; Amaratunga, G. A. J.; Milne, W. L.; Legagneux, P.; Gangloff, L.; Minoux, E.; Schnell, J. P.; Pribat, D. IEEE Proc., Circuits Devices Syst. 2004, 151, 443.
18. Wind, S. J.; Appenzeller, J.; Avouris, P. Phys. Rev. Lett. 2003, 91, 58301.
19. Wong, S. S.; Joselevich, E.; Woolley, A. T.; Cheung, C. L.; Lieber, C. M. Nature (London, U.K.) 1998, 394, 52.
20. Maeda, A.; Matsumoto, S.; Kishida, H.; Takenobu, T.; Iwasa, Y.; Shimoda, H.; Zhou, O.; Shiraishi, M.; Okamoto, H. J. Phys. Soc. Jpn. 2006, 75, 43709.
21. Maeda, A.; Matsumoto, S.; Kishida, H.; Takenobu, T.; Iwasa, Y.; Shiraishi, M.; Ata, M.; Okamoto, H. Phys. Rev. Lett. 2005, 94, 47404.
22. Yi, W. H.; Feng, W.; Zhang, C. Y.; Long, Y. B.; Zhang, Z. G.; Li, B. M.; Wu, H. C. J. Appl. Phys. 2006, 100, 94301.
23. Bachilo, S. M.; Strano, M. S.; Kittrell, C.; Hauge, R. H.; Smalley, R. E.; Weisman, R. B. Science (Washington, DC, U.S.) 2002, 298, 2361.
24. Dresselhaus, M. S.; Dresselhaus, G.; Jorio, A.; Souza, A. G.; Pimenta, M. A.; Saito, R. AccChem. Res. 2002, 35, 1070.
25. Gruneis, A.; Saito, R.; Samsonidze, G. G.; Kimura, T.; Pimenta, M. A.; Jorio, A.; Souza, A. G.; Dresselhaus, G.; Dresselhaus, M. S. Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2003, 67, 165402.
26. Jorio, A.; Pimenta, M. A.; Souza, A. G.; Saito, R.; Dresselhaus, G.; Dresselhaus, M. S. New J. Phys. 2003, 5, 139.
27. Jorio, A.; Saito, R.; Hertel, T.; Weisman, R. B.; Dresselhaus, G.; Dresselhaus, M. S. MRS Bull. 2004, 29, 276.
28. O'Connell, M. J.; Bachilo, S. M.; Huffman, C. B.; Moore, V. C.; Strano, M. S.; Haroz, E. H.; Rialon, K. L.; Boul, P. J.; Noon, W. H.; Kittrell, C.; Ma, J. P.; Hauge, R. H.; Weisman, R. B.; Smalley, R. E. Science (Washington, DC, U.S.) 2002, 297, 593.
29. Rao, A. M.; Richter, E.; Bandow, S.; Chase, B.; Eklund, P. C.; Williams, K. A.; Fang, S.; Subbaswamy, K. R.; Menon, M.; Thess, A.; Smalley, R. E.; Dresselhaus, G.; Dresselhaus, M. S. Science (Washington, DC, U.S.) 1997, 275, 187.
30. Sfeir, M. Y.; Beetz, T.; Wang, F.; Huang, L. M.; Huang, X. M. H.; Huang, M. Y.; Hone, J.; O'Brien, S.; Misewich, J. A.; Heinz, T. F.; Wu, L. J.; Zhu, Y. M.; Brus, L. E. Science (Washington, DC, U.S.) 2006, 312, 554.
31. Sfeir, M. Y.; Wang, F.; Huang, L. M.; Chuang, C. C.; Hone, J.; O'Brien, S. P.; Heinz, T. F.; Brus, L. E. Science (Washington, DC, U.S.) 2004, 306, 1540.
32. Perebeinos, V.; Tersoff, J.; Avouris, P. Phys. Rev. Lett. 2004, 92, 257402.
33. Spataru, C. D.; Ismail-Beigi, S.; Benedict, L. X.; Louie, S. G. Phys. Rev. Lett. 2004, 92, 77402.
34. Spataru, C. D.; Ismail-Beigi, S.; Benedict, L. X.; Louie, S. G. Appl. Phys. A: Mater. Sci. Process. 2004, 78, 1129.
35. Wang, F.; Dukovic, G.; Brus, L. E.; Heinz, T. F. Science (Washington, DC, U.S.) 2005, 308, 838.
36. Mohite, A.; Lin, J. T.; Sumanasekera, G.; Alphenaar, B. W. Nano Lett. 2006, 6, 1369.
37. Manzoni, C.; Gambetta, A.; Menna, E.; Meneghetti, M.; Lanzani, G.; Cerullo, G. Phys. Rev. Lett. 2005, 94, 207401.
38. Lanzani, G.; Cerullo, G.; Gambetta, A.; Manzoni, C.; Menna, E.; Meneghetti, M. Synth. Met. 2005, 155, 246.
39. Seferyan, H. Y.; Nasr, M. B.; Senekerimyan, V.; Zadoyan, R.; Collins, P.; Apkarian, V. A. Nano Lett. 2006, 6, 1757.
40. Ostojic, G. N.; Zaric, S.; Kono, J.; Strano, M. S.; Moore, V. C.; Hauge, R. H.; Smalley, R. E. Phys. Rev. Lett. 2004, 92, 117402.
41. Kono, J.; Ostojic, G. N.; Zaric, S.; Strano, M. S.; Moore, V. C.; Shaver, J.; Hauge, R. H.; Smalley, R. E. Appl. Phys. A: Mater. Sci. Process. 2004, 78, 1093.
42. Huxtable, S. T.; Cahill, D. G.; Shenogin, S.; Xue, L. P.; Ozisik, R.; Barone, P.; Usrey, M.; Strano, M. S.; Siddons, G.; Shim, M.; Keblinski, P. Nat. Mater. 2003, 2, 731.
43. Reich, S.; Dworzak, M.; Hoffmann, A.; Thomsen, C.; Strano, M. S. Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2005, 71, 033402.
44. Hagen, A.; Moos, G.; Talalaev, V.; Hertel, T. Appl. Phys. A: Mater. Sci. Process. 2004, 78, 1137.
45. Lauret, J. S.; Voisin, C.; Cassabois, G.; Delalande, C.; Roussignol, P.; Capes, L.; Jost, O. Physica E (Amsterdam, Neth.) 2003, 77, 380.
46. Lauret, J. S.; Voisin, C.; Cassabois, G.; Delalande, C.; Roussignol, P.; Jost, O.; Capes, L. Phys. Rev. Lett. 2003, 90, 57404.
47. Huang, L. B.; Pedrosa, H. N.; Krauss, T. D. Phys. Rev. Lett. 2004, 93, 17403.
48. Korovyanko, O. J.; Sheng, C. X.; Vardeny, Z. V.; Dalton, A. B.; Baughman, R. H. Phys. Rev. Lett. 2004, 92, 17403.
49. Hertel, T.; Fasel, R.; Moos, G. Appl. Phys. A: Mater. Sci. Process. 2002, 75, 449.
50. Ichida, M.; Hamanaka, Y.; Kataura, H.; Achiba, Y.; Nakamura, A. J. Phys. Soc. Jpn. 2004, 73, 3479.
51. Huang, L. B.; Krauss, T. D. Phys. Rev. Lett. 2006, 96, 57407.
52. Gambetta, A.; Manzoni, C.; Menna, E.; Meneghetti, M.; Cerullo, G.; Lanzani, G.; Tretiak, S.; Piryatinski, A.; Saxena, A.; Martin, R. L.; Bishop, A. R. Nat. Phys. 2006, 2, 515.
53. Sheng, C. X.; Vardeny, Z. V.; Dalton, A. B.; Baughman, R. H. Synth. Met. 2005, 155, 254.
54. Sheng, C. X.; Vardeny, Z. V.; Dalton, A. B.; Baughman, R. H. Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2005, 71, 125427.
55. Hagen, A.; Steiner, M.; Raschke, M. B.; Lienau, C.; Hertel, T.; Qian, H. H.; Meixner, A. J.; Hartschuh, A. Phys. Rev. Lett. 2005, 95, 197401.
56. Ma, Y. Z.; Valkunas, L.; Bachilo, S. M.; Fleming, G. R. Phys. Chem. Chem. Phys. 2006, 8, 5689.
57. Ma, Y. Z.; Stenger, J.; Zimmermann, J.; Bachilo, S. M.; Smalley, R. E.; Weisman, R. B.; Fleming, G. R. J. Chem. Phys. 2004, 120, 3368.
58. Valkunas, L.; Ma, Y. Z.; Fleming, G. R. Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2006, 73, 115432.
59. Ma, Y. Z.; Valkunas, L.; Dexheimer, S. L.; Bachilo, S. M.; Fleming, G. R. Phys. Rev. Lett. 2005, 94, 157402.
60. Ma, Y. Z.; Valkunas, L.; Bachilo, S. M.; Fleming, G. R. J. Phys. Chem. B 2005, 109, 15671.
61. Ma, Y. Z.; Spataru, C. D.; Valkunas, L.; Louie, S. G.; Fleming, G. R. Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2006, 74, 85402.
62. Ma, Y. Z.; Valkunas, L.; Dexheimer, S. L.; Fleming, G. R. Mol. Phys. 2006, 104, 1179.
63. Zhao, H.; Mazumdar, S.; Sheng, C. X.; Tong, M.; Vardeny, Z. V. Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2006, 73, 75403.
64. Chou, S. G.; DeCamp, M. F.; Jiang, J.; Samsonidze, G. G.; Barros, E. B.; Plantz, F.; Jorio, A.; Zheng, M.; Onoa, G. B.; Semke, E. D.; Tokmakoff, A.; Saito, R.; Dresselhaus, G.; Dresselhaus, M. S. Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2005, 72, 195415.
65. Ellingson, R. J.; Engtrakul, C.; Jones, M.; Samec, M.; Rumbles, G.; Nozik, A. J.; Heben, M. J. Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2005, 77, 115444.
66. Russo, R. M.; Mele, E. J.; Kane, C. L.; Rubtsov, I. V.; Therien, M. J.; Luzzi, D. E. Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2006, 74, 41405.
67. Styers-Barnett, D. J.; Ellison, S. P.; Park, C.; Wise, K. E.; Papanikolas, J. M. J. Phys. Chem. A 2005, 109, 289.
68. Styers-Barnett, D. J.; Ellison, S. P.; Park, C.; Wise, K. E.; Papanikolas, J. M. Ultrafast Transient Absorption Spectroscopy Investigations of Excited State Dynamics in SWNT/Polymer Composites. In Functional Carbon Nanotubes; Materials Research Society Symposia Proceedings: Boston, MA, 2005.
69. Schmitt-Rink, S.; Chemla, D. S.; Miller, D. A. B. Adv. Phys. 1989, 38, 89.
70. Yoffe, A. D. Adv. Phys. 2001, 50, 1.
71. Axt, V. M.; Kuhn, T. Rep. Prog. Phys. 2004, 67, 433.
72. Kulakovskii, V. D.; Bayer, M.; Michel, M.; Forchel, A.; Gutbrod, T.; Faller, F. Usp. Fiz. Nauk 1998, 168, 123.
73. Dekel, E.; Gershoni, D.; Ehrenfreund, E.; Spektor, D.; Garcia, J. M.; Petroff, P. M. Phys. Rev. Lett. 1998, 80, 4991.
74. Hu, Y. Z.; Koch, S. W.; Lindberg, M.; Peyghambarian, N.; Pollock, E. L.; Abraham, F. F. Phys. Rev. Lett. 1990, 64, 1805.
75. Ikezawa, M.; Matsumoto, Y.; Takagahara, T.; Nair, S. V. Phys. Rev. Lett. 1997, 79, 3522.
76. Labrie, D.; Karasyuk, V. A.; Nissen, M. K.; Pokrovskii, Y. E.; Thewalt, M. L. W. Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 1993, 47, 1628.
77. Pedersen, T. G. Fullerenes, Nanotubes, Carbon Nanostruct. 2005, 13, 33.
78. Pedersen, T. G.; Pedersen, K.; Cornean, H. D.; Duclos, P. Nano Lett. 2005, 5, 291.
79. Park, C.; Crooks, R. E.; Siochi, E. J.; Harrison, J. S.; Evans, N.; Kenik, E. Nanotechnology 2003, 14, 11.
80. Wise, K. E.; Park, C.; Siochi, E. J.; Harrison, J. S. Chem. Phys. Lett. 2004, 391, 207.
81. Shaw, G. B.; Brown, C. L.; Papanikolas, J. M. J. Phys. Chem. A 2002, 106, 1483.
82. Bursill, L. A.; Stadelmann, P. A.; Peng, J. L.; Prawer, S. Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 1994, 49, 2882.
83. Link, S.; El-Sayed, M. A. J. Phys. Chem. B 1999, 103, 8410.
84. Scholes, G. D.; Rumbles, G. Nat. Mater. 2006, 5, 683.
85. Bublitz, G. U.; Boxer, S. G. Annu. Rev. Phys. Chem. 1997, 48, 213.
86. Small shift yields a transient spectrum that is similar to the firstderivative of the ground state band, exhibiting a zero-crossing at its center frequency. This is not observed in our data, however.
87. Zhu, Z. P.; Crochet, J.; Arnold, M. S.; Hersam, M. C.; Ulbricht, H.; Resasco, D.; Hertel, T. J. Phys. Chem. C 2007, 111, 3831.