Long linear chains of carbon encapsulated in carbon nanotubes represent the finite realization of carbyne, the truly one-dimensional carbon allotrope. Driven by advances in the synthesis of such structures, carbyne has attracted significant interest in recent years, with numerous experimental studies exploring its remarkable properties. As for other carbon nanomaterials, Raman spectroscopy has played an important role in the characterization of carbyne. In particular, tip-enhanced Raman scattering (TERS) has enabled imaging and spectroscopy down to the single-chain level. In this article, we provide a general introduction to carbyne and discuss the principles and experimental implementation of TERS as a key technology for the investigation of this material system. Within this context, the development of optical nanoantennas as TERS probes is addressed. We then summarize the latest progress in the Raman spectroscopic characterization of confined carbyne, with a focus on the findings assisted by TERS. Finally, we discuss open questions in the field and outline how TERS can contribute to solving them in future studies.

1.
R. B.
Heimann
,
S. E.
Evsyukov
, and
L.
Kavan
,
Carbyne and Carbynoid Structures
(
Springer Science & Business Media
,
1999
).
3.
C. S.
Casari
,
M.
Tommasini
,
R. R.
Tykwinski
, and
A.
Milani
,
Nanoscale
8
,
4414
(
2016
).
4.
C. S.
Casari
and
A.
Milani
,
MRS Commun.
8
,
207
(
2018
).
5.
R. E.
Peierls
,
Quantum Theory of Solids
(
Clarendon Press
,
Oxford
,
1955
).
6.
J.
Kastner
,
H.
Kuzmany
,
L.
Kavan
,
F. P.
Dousek
, and
J.
Kuerti
,
Macromolecules
28
,
344
(
1995
).
7.
J.
Kürti
and
H.
Kuzmany
,
Phys. Rev. B
44
,
597
(
1991
).
8.
A.
Milani
,
M.
Tommasini
,
D.
Fazzi
,
C.
Castiglioni
,
M. D.
Zoppo
, and
G.
Zerbi
,
J. Raman Spectrosc.
39
,
164
(
2008
).
9.
A.
Milani
,
M.
Tommasini
, and
G.
Zerbi
,
J. Raman Spectrosc.
40
,
1931
(
2009
).
10.
T.
Gibtner
,
F.
Hampel
,
J.-P.
Gisselbrecht
, and
A.
Hirsch
,
Chem. - Eur. J.
8
,
408
(
2002
).
11.
W. A.
Chalifoux
and
R. R.
Tykwinski
,
Nat. Chem.
2
,
967
(
2010
).
12.
M.
Tommasini
,
A.
Milani
,
D.
Fazzi
,
A.
Lucotti
,
C.
Castiglioni
,
J. A.
Januszewski
,
D.
Wendinger
, and
R. R.
Tykwinski
,
J. Phys. Chem. C
118
,
26415
(
2014
).
13.
A.
Milani
,
V.
Barbieri
,
A.
Facibeni
,
V.
Russo
,
A.
Li Bassi
,
A.
Lucotti
,
M.
Tommasini
,
M. D.
Tzirakis
,
F.
Diederich
, and
C. S.
Casari
,
Sci. Rep.
9
,
1648
(
2019
).
14.
X.
Zhao
,
Y.
Ando
,
Y.
Liu
,
M.
Jinno
, and
T.
Suzuki
,
Phys. Rev. Lett.
90
,
187401
(
2003
).
15.
M.
Endo
,
Y. A.
Kim
,
T.
Hayashi
,
H.
Muramatsu
,
M.
Terrones
,
R.
Saito
,
F.
Villalpando-Paez
,
S. G.
Chou
, and
M. S.
Dresselhaus
,
Small
2
,
1031
(
2006
).
16.
M.
Jinno
,
Y.
Ando
,
S.
Bandow
,
J.
Fan
,
M.
Yudasaka
, and
S.
Iijima
,
Chem. Phys. Lett.
418
,
109
(
2006
).
17.
C.
Fantini
,
E.
Cruz
,
A.
Jorio
,
M.
Terrones
,
H.
Terrones
,
G.
Van Lier
,
J.-C.
Charlier
,
M. S.
Dresselhaus
,
R.
Saito
,
Y. A.
Kim
,
T.
Hayashi
,
H.
Muramatsu
,
M.
Endo
, and
M. A.
Pimenta
,
Phys. Rev. B
73
,
193408
(
2006
).
18.
L.
Shi
,
L.
Sheng
,
L.
Yu
,
K.
An
,
Y.
Ando
, and
X.
Zhao
,
Nano Res.
4
,
759
(
2011
).
19.
N. F.
Andrade
,
T. L.
Vasconcelos
,
C. P.
Gouvea
,
B. S.
Archanjo
,
C. A.
Achete
,
Y. A.
Kim
,
M.
Endo
,
C.
Fantini
,
M. S.
Dresselhaus
, and
A. G.
Souza Filho
,
Carbon
90
,
172
(
2015
).
20.
L.
Shi
,
P.
Rohringer
,
K.
Suenaga
,
Y.
Niimi
,
J.
Kotakoski
,
J. C.
Meyer
,
H.
Peterlik
,
M.
Wanko
,
S.
Cahangirov
,
A.
Rubio
,
Z. J.
Lapin
,
L.
Novotny
,
P.
Ayala
, and
T.
Pichler
,
Nat. Mater.
15
,
634
(
2016
).
21.
Y.
Zhang
,
J.
Zhao
,
Y.
Fang
,
Y.
Liu
, and
X.
Zhao
,
Nanoscale
10
,
17824
(
2018
).
22.
S.
Toma
,
K.
Asaka
,
M.
Irita
, and
Y.
Saito
,
Surf. Interface Anal.
51
,
131
(
2019
).
23.
L.
Shi
,
R.
Senga
,
K.
Suenaga
,
H.
Kataura
,
T.
Saito
,
A. P.
Paz
,
A.
Rubio
,
P.
Ayala
, and
T.
Pichler
,
Nano Lett.
21
,
1096
(
2021
).
24.
M.
Liu
,
V. I.
Artyukhov
,
H.
Lee
,
F.
Xu
, and
B. I.
Yakobson
,
ACS Nano
7
,
10075
(
2013
).
25.
M.
Wang
and
S.
Lin
,
Sci. Rep.
5
,
18122
(
2015
).
26.
S.
Tongay
,
R. T.
Senger
,
S.
Dag
, and
S.
Ciraci
,
Phys. Rev. Lett.
93
,
136404
(
2004
).
27.
Z.
Wang
,
X.
Ke
,
Z.
Zhu
,
F.
Zhang
,
M.
Ruan
, and
J.
Yang
,
Phys. Rev. B
61
,
R2472
(
2000
).
28.
C. V.
Raman
and
K. S.
Krishnan
,
Nature
121
,
501
(
1928
).
29.
R. L.
McCreery
,
Raman Spectroscopy for Chemical Analysis
(
John Wiley & Sons
,
2000
).
30.
A.
Jorio
,
M. S.
Dresselhaus
,
R.
Saito
, and
G.
Dresselhaus
,
Raman Spectroscopy in Graphene Related Systems
(
John Wiley & Sons
,
2011
).
31.
E.
Abbe
,
Arch. Mikrosk. Anat.
9
,
413
(
1873
).
32.
L.
Rayleigh
,
London, Edinburgh Dublin Philos. Mag. J. Sci.
42
,
167
(
1896
).
33.
L.
Novotny
and
B.
Hecht
,
Principles of Nano-Optics
(
Cambridge University Press
,
Cambridge
,
2012
).
34.
L. G.
Cançado
,
A.
Hartschuh
, and
L.
Novotny
,
J. Raman Spectrosc.
40
,
1420
(
2009
).
35.
R.
Beams
,
J. Raman Spectrosc.
49
,
157
(
2018
).
36.
D.
Roy
,
J.
Wang
, and
C.
Williams
,
J. Appl. Phys.
105
,
013530
(
2009
).
37.
R.
Beams
,
L. G.
Cançado
,
S.-H.
Oh
,
A.
Jorio
, and
L.
Novotny
,
Phys. Rev. Lett.
113
,
186101
(
2014
).
38.
L. G.
Cançado
,
R.
Beams
,
A.
Jorio
, and
L.
Novotny
,
Phys. Rev. X
4
,
031054
(
2014
).
39.
L.
Novotny
and
N.
Van Hulst
,
Nat. Photonics
5
,
83
(
2011
).
40.
Z. J.
Lapin
,
R.
Beams
,
L. G.
Cançado
, and
L.
Novotny
,
Faraday Discuss.
184
,
193
(
2015
).
41.
T. L.
Vasconcelos
,
B. S.
Archanjo
,
B. S.
Oliveira
,
W. F.
Silva
,
R. S.
Alencar
,
C.
Rabelo
,
C. A.
Achete
,
A.
Jorio
, and
L. G.
Cançado
,
IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron.
27
(
1
),
4600411
(
2020
).
42.
E. H.
Synge
,
London, Edinburgh Dublin Philos. Mag. J. Sci.
13
,
297
(
1932
).
43.
X.
Shi
,
N.
Coca-López
,
J.
Janik
, and
A.
Hartschuh
,
Chem. Rev.
117
,
4945
(
2017
).
44.
L.
Novotny
,
R. X.
Bian
, and
X. S.
Xie
,
Phys. Rev. Lett.
79
,
645
(
1997
).
45.
N.
Mauser
and
A.
Hartschuh
,
Chem. Soc. Rev.
43
,
1248
(
2014
).
46.
B.
Ren
,
G.
Picardi
, and
B.
Pettinger
,
Rev. Sci. Instrum.
75
,
837
(
2004
).
47.
T.
Deckert-Gaudig
,
A.
Taguchi
,
S.
Kawata
, and
V.
Deckert
,
Chem. Soc. Rev.
46
,
4077
(
2017
).
48.
T. W.
Johnson
,
Z. J.
Lapin
,
R.
Beams
,
N. C.
Lindquist
,
S. G.
Rodrigo
,
L.
Novotny
, and
S.-H.
Oh
,
ACS Nano
6
,
9168
(
2012
).
49.
S.
Thomas
,
G.
Wachter
,
C.
Lemell
,
J.
Burgdörfer
, and
P.
Hommelhoff
,
New J. Phys.
17
,
063010
(
2015
).
50.
T. L.
Vasconcelos
,
B. S.
Archanjo
,
B.
Fragneaud
,
B. S.
Oliveira
,
J.
Riikonen
,
C.
Li
,
D. S.
Ribeiro
,
C.
Rabelo
,
W. N.
Rodrigues
,
A.
Jorio
,
C. A.
Achete
, and
L. G.
Cançado
,
ACS Nano
9
,
6297
(
2015
).
51.
K. L.
Kelly
,
E.
Coronado
,
L. L.
Zhao
, and
G. C.
Schatz
,
J. Phys. Chem. B
107
,
668
(
2003
).
52.
P. K.
Jain
,
X.
Huang
,
I. H.
El-Sayed
, and
M. A.
El-Sayed
,
Acc. Chem. Res.
41
,
1578
(
2008
).
53.
P.
Bharadwaj
and
L.
Novotny
,
Opt. Express
15
,
14266
(
2007
).
54.
P.
Bharadwaj
and
L.
Novotny
,
J. Phys. Chem. C
114
,
7444
(
2010
).
55.
M.
Fleischer
,
A.
Weber-Bargioni
,
M. V. P.
Altoe
,
A. M.
Schwartzberg
,
P. J.
Schuck
,
S.
Cabrini
, and
D. P.
Kern
,
ACS Nano
5
,
2570
(
2011
).
56.
C.
Höppener
,
Z. J.
Lapin
,
P.
Bharadwaj
, and
L.
Novotny
,
Phys. Rev. Lett.
109
,
017402
(
2012
).
57.
A.
Taguchi
,
J.
Yu
,
P.
Verma
, and
S.
Kawata
,
Nanoscale
7
,
17424
(
2015
).
58.
I.
Maouli
,
A.
Taguchi
,
Y.
Saito
,
S.
Kawata
, and
P.
Verma
,
Appl. Phys. Express
8
,
032401
(
2015
).
59.
T. L.
Vasconcelos
,
B. S.
Archanjo
,
B. S.
Oliveira
,
R.
Valaski
,
R. C.
Cordeiro
,
H. G.
Medeiros
,
C.
Rabelo
,
A.
Ribeiro
,
P.
Ercius
,
C. A.
Achete
,
A.
Jorio
, and
L. G.
Cançado
,
Adv. Opt. Mater.
6
,
1800528
(
2018
).
60.
H.
Miranda
,
C.
Rabelo
,
T. L.
Vasconcelos
,
L. G.
Cançado
, and
A.
Jorio
,
Phys. Status Solidi RRL
14
,
2000212
(
2020
).
61.
B. S.
Oliveira
,
B. S.
Archanjo
,
R.
Valaski
,
C. A.
Achete
,
L. G.
Cançado
,
A.
Jorio
, and
T. L.
Vasconcelos
,
J. Chem. Phys.
153
,
114201
(
2020
).
62.
C. D.
Tschannen
,
M.
Frimmer
,
G.
Gordeev
,
T. L.
Vasconcelos
,
L.
Shi
,
T.
Pichler
,
S.
Reich
,
S.
Heeg
, and
L.
Novotny
,
ACS Nano
15
,
12249
(
2021
).
63.
S.
Heeg
,
L.
Shi
,
T.
Pichler
, and
L.
Novotny
,
Carbon
139
,
581
(
2018
).
65.
T.
Schmid
,
L.
Opilik
,
C.
Blum
, and
R.
Zenobi
,
Angew. Chem., Int. Ed.
52
,
5940
(
2013
).
66.
X.
Wang
,
S.-C.
Huang
,
S.
Hu
,
S.
Yan
, and
B.
Ren
,
Nat. Rev. Phys.
2
,
253
(
2020
).
67.
L.
Shi
,
P.
Rohringer
,
M.
Wanko
,
A.
Rubio
,
S.
Waßerroth
,
S.
Reich
,
S.
Cambré
,
W.
Wenseleers
,
P.
Ayala
, and
T.
Pichler
,
Phys. Rev. Mater.
1
,
075601
(
2017
).
68.
M.
Wanko
,
S.
Cahangirov
,
L.
Shi
,
P.
Rohringer
,
Z. J.
Lapin
,
L.
Novotny
,
P.
Ayala
,
T.
Pichler
, and
A.
Rubio
,
Phys. Rev. B
94
,
195422
(
2016
).
69.
S.
Heeg
,
L.
Shi
,
L. V.
Poulikakos
,
T.
Pichler
, and
L.
Novotny
,
Nano Lett.
18
,
5426
(
2018
).
70.
A.
Jorio
,
L. G.
Cançado
,
S.
Heeg
,
L.
Novotny
, and
A.
Hartschuh
,
Handbook of Carbon Nanomaterials
, World Scientific Series on Carbon Nanoscience Vol. 9–10 (
World Scientific
,
2017
), pp.
175
221
.
71.
G. S.
Duesberg
,
I.
Loa
,
M.
Burghard
,
K.
Syassen
, and
S.
Roth
,
Phys. Rev. Lett.
85
,
5436
(
2000
).
72.
C.
Thomsen
and
S.
Reich
,
Top. Appl. Phys.
108
,
115
(
2007
).
73.
X.
Yang
,
C.
Lv
,
Z.
Yao
,
M.
Yao
,
J.
Qin
,
X.
Li
,
L.
Shi
,
M.
Du
,
B.
Liu
, and
C.-X.
Shan
,
Carbon
159
,
266
(
2020
).
74.
Á.
Rusznyák
,
V.
Zólyomi
,
J.
Kürti
,
S.
Yang
, and
M.
Kertesz
,
Phys. Rev. B
72
,
155420
(
2005
).
75.
C. D.
Tschannen
,
G.
Gordeev
,
S.
Reich
,
L.
Shi
,
T.
Pichler
,
M.
Frimmer
,
L.
Novotny
, and
S.
Heeg
,
Nano Lett.
20
,
6750
(
2020
).
76.
A.
Jorio
,
A. G.
Souza Filho
,
G.
Dresselhaus
,
M. S.
Dresselhaus
,
R.
Saito
,
J. H.
Hafner
,
C. M.
Lieber
,
F. M.
Matinaga
,
M. S. S.
Dantas
, and
M. A.
Pimenta
,
Phys. Rev. B
63
,
245416
(
2001
).
77.
N.
Bonini
,
M.
Lazzeri
,
N.
Marzari
, and
F.
Mauri
,
Phys. Rev. Lett.
99
,
176802
(
2007
).
78.
M.
Steiner
,
M.
Freitag
,
V.
Perebeinos
,
J. C.
Tsang
,
J. P.
Small
,
M.
Kinoshita
,
D.
Yuan
,
J.
Liu
, and
P.
Avouris
,
Nat. Nanotechnol.
4
,
320
(
2009
).
79.
R. S.
Alencar
,
C.
Rabelo
,
H. L. S.
Miranda
,
T. L.
Vasconcelos
,
B. S.
Oliveira
,
A.
Ribeiro
,
B. C.
Públio
,
J.
Ribeiro-Soares
,
A. G. S.
Filho
,
L. G.
Cançado
, and
A.
Jorio
,
Nano Lett.
19
,
7357
(
2019
).
80.
G.
Xie
,
D.
Ding
, and
G.
Zhang
,
Adv. Phys.: X
3
,
1480417
(
2018
).
81.
Z.
Tian
,
K.
Esfarjani
,
J.
Shiomi
,
A. S.
Henry
, and
G.
Chen
,
Appl. Phys. Lett.
99
,
053122
(
2011
).
82.
K.
Kneipp
,
Y.
Wang
,
H.
Kneipp
,
I.
Itzkan
,
R. R.
Dasari
, and
M. S.
Feld
,
Phys. Rev. Lett.
76
,
2444
(
1996
).
83.
A.
Jorio
,
M.
Kasperczyk
,
N.
Clark
,
E.
Neu
,
P.
Maletinsky
,
A.
Vijayaraghavan
, and
L.
Novotny
,
Nano Lett.
14
,
5687
(
2014
).
84.
P.
Rohringer
,
L.
Shi
,
P.
Ayala
, and
T.
Pichler
,
Adv. Funct. Mater.
26
,
4874
(
2016
).
You do not currently have access to this content.