奈米碳管之導(dǎo)電性與導(dǎo)電路徑

關(guān)于奈米碳管之導(dǎo)電性與導(dǎo)電路徑第1頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三共軛結(jié)構(gòu)–C=C-C=2D-view(骨架式)第2頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三-電子之共振結(jié)構(gòu)第3頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三Isotropicconduction-electron第4頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三捲成管狀後isotropicconduction仍然維持第5頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三3D-view-bond(sp2)-Wavefunction(electroncloud)-bond-wavefunction價電子雲(yún)位於二個碳原子間,導(dǎo)電之電子雲(yún)位於上下二處骨架式第6頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三120e-e--電子可於圓形3D空間內(nèi)運行第7頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三-電子雲(yún)重疊,造成電子可於電子雲(yún)中自由穿梭,形成導(dǎo)電路徑如果重疊區(qū)域少,電子需藉由hopping(或是tunneling)方能穿梭電阻小電阻大第8頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三六連環(huán)俯視圖側(cè)視圖骨架+電子雲(yún)(形成3Dview)電子可視為電子波,故具備向量性質(zhì)而空間中向量可分成三個分量,x,y,zxyz也就是說電子可延三個方向前進第9頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三1?z由於波函數(shù)(wavefunction)沿z軸方向只延伸約1?距離,故電子波向量沿z軸方向受限制.但沿x,y軸方向不受限制xy第10頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三xyxy無外加電場沿管軸方向外加電場時Espiralconduction第11頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三2D:isotropicconduction(骨架式共軛結(jié)構(gòu))碳管之導(dǎo)電路徑3D:alongx(circumference)andy(tubeaxial)axesconductionwithoutexternalelectricfield3D:spiralconductionoccurswhenexternalelectricfieldisapplied第12頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三電子雲(yún)于碳管表面第13頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三StandingwavepatternWavefunctionimageSTMimages第14頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三碳管之能帶結(jié)構(gòu)第15頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三石墨晶格1stBrillourinzone第16頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三CBVB6k-points平面圖3D-view第17頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三能量最大第18頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三CBjoinswithVBatk-pointsk-pointVBCBEFAbovemeansthatifanysub-bandscrossatk-pointswouldbemetallicnatureotherwisetubeisasemiconductingproperty.第19頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三Oneatomoneenergylevel(sub-band)withunpairedelectronTwoatomstwoenergylevelswithonebondingandoneanti-bondingbondinganti-bondingThreeatomsthreeenergylevelswithonebonding,oneanti-bondingandoneunpairedelectronEachsub-bandhasownvelocityandwavevectorIfanyofthesevectorscrossatk-pointsorinterceptEFthenanotubewouldbeametallicnature.第20頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三MetallicnatureWavevector第21頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三Band-gap第22頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三第23頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三wherea1anda2areunitvectors,andnandmareintegers.Ananotubeconstructedinthiswayiscalledan(n,m)nanotubeChiralvector=Ch=na1+ma2第24頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三第25頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三d=(3)1/2aC-C(m2+mn+n2)1/2/)WhereaC-C=1.42?:thenearestneighborcarbon-carbondistance=tan-1[(3)1/2n/(2m+n)]Example:forzigzagtubewhen=0with(n,0)=(9,0),d=7.05?forarmchairtube,(n,n)=(5,5),d=6.83?第26頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三zigzagedgearmchair30:Semiconducting:metallic(0,0)(1,0)(2,0)(3,0)(4,0)(1,1)(2,2)(3,3)(2,1)(3,1)(4,1)mn(n,m)notation(3,2)(n,0):zigzagtubes(n,n):armchairtubes(n,m):chiraltubes2n+m=3q;(q:integer)第27頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三為何文獻總是說碳管之電性取決於管徑(tubediameter)

與螺旋性(chirality)波向量隨直徑變化而位移第28頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三=15=25DeterminationbytubeChirality波向量隨管之螺旋性而變化第29頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三文獻說不論直徑為何只要nanotubes是armchairedge均是metallicnature(nobandgap)因為波向量永遠座落於k-points上且此六邊形對稱不隨管直徑而變化第30頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三文獻說zigzagnanotube有三分之一會是metallictube,三分之二是semiconductor第31頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三BentNanotube-Nano-SchottkybarrierarmchairzigzagM1/3M,2/3S假設(shè)為S-M(機率大),此結(jié)構(gòu)具整流效應(yīng),也就是說電流只能由M流向S無法回流第32頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三第33頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三第34頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三第35頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三zigzagarmchair第36頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三第37頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三STMtip第38頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三STMTIPLocalizedstate(localSchottkydevice)波向量在六連環(huán)結(jié)構(gòu)上可來回波向量不可逆第39頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三SciencebyC.M.Leiberetal第40頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三多層碳管之導(dǎo)電路徑為那一層---每層均可導(dǎo)電,但一般是最外層,因為只有最外層與金屬電極接觸(注意:電子不可能跳躍層與層之間距離而由內(nèi)層跳至外層OutermostlayerInnermostlayer電極e-e-e-第41頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三前述碳管電性取決於直徑與螺旋性,因此多壁碳管有可能是每層電性不同.MSScience,292,706,2001RemovalofcarbonlayersbyElectricalbreakdown第42頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三MS第43頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三Contributiontototalconductancefromindividuallayers第44頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三Carbonnanotubescancarryelectricalcurrentupto109A/cm2Sohowtoremovecarbonlayersinavacuumviaelectricalbreakdown?CurrentinduceddefectformationSelf-heatingDefectextensionRemovalofcarbonlayerontheorderofms第45頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三1.AlternativeelectronicpropertyofMWNTs,M-S-M-S2.Removalofeachlayerreducescurrentof19A.3.AMWNTconductselectricalcurrentonlyatouter-layerwheretheycontactwithelectrodes.Nevertheless,whenMWNTsaremodulatedathigherbiasvoltagetheinner-layersalsocontributetonanotubeconductanceviainter-layerbarriers(thermallyactivatedconduction).Summaries4.Innerlayersonlycontributelimitedlytonanotubeconductance,becausetheyhavetoovercomeinterlayerbarriersof0.34nmspacing.第46頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三早期量測單根多壁碳管1.J.Vac.Sci.Tech.B,13,327,1995,byRiveraetal(STM)2.Syn.Metals.70,1393,1995,byLangeretal(STM+lithographictech)3.Nature,382,54,1996,byEbbesenetal(fourterminal+lithographictech)4.Science,272,523,1996,byDaietal(fourterminal+lithographictech)第47頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三TwoterminalmethodFourterminalmethod第48頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三1.Averagedresistivityofnanotubetubeis10-4~10-5

m.(arcmade)

2.Resistivityofmetallicnanotubesis10-6m.(arcmade)

3.Resistivityofdefectivecarbonnanotubesis10-2~10-3

m.(pyrolysismade)4.Bandgapofsemiconductingnanotubesis0.1–2eV,andisthermallyactivatedtype(negativetempcoefficientofresistivity),alsoisgatevoltagedependentconductance.5.Metallicnanotubesaregatevoltageindependentandpositivetempcoefficientofresistivity.Summariesofnanotuberesistivitymeasurements第49頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三Temp(k)RPositivetempcoefficientofresistivityNegativetempcoefficientofresistivity第50頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三VGdI/dV(G)VGindependentVGdependentVGdependent第51頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三llByBaumgartneretal,PRB,55,6704,1997ResistivityofCNTfilms第52頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三e-hopping第53頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三第54頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三ResistivityofCNT-polymercompositesCNTspolymer第55頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三electrodesLowcontentofCNTinpolymera.Primarycapacitivephaseb.Highresistancec.Noconductionpathsbetweenelectrodes2.CNTloadincreases

a.capacitancedecreasesb.Resistancedecreasec.conductionpathsbeginstoestablish3.HighCNTload

a.Lowcapacitanceb.Lowresistancec.Conductionpathformation

第56頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三CNTloadRElectricalthresholdAdv.Mater,10,1091,1998第57頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三Adv.Mater,11,937,1999第58頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三TechnicalchallengesforCNTsinpolymer2.InterfacialbindingbetweenCNTsandpolymers1.DispersionofCNTsinpolymersUnevendistributionofCNTsCNTenrichedregionsCNTdeficitregions第59頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三DispersionofCNTsinpolymers1.Lengthymechanicalblending,(ultra-sonicate,magneticstirring)2.Surfactantassistant(loweringinterfacialstrength,soCNTsmoveeasilyinpolymersolution)surfactant第60頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三CNTenrichedregionCNTdeficitregionsChem.Mater,12,1049,2000第61頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三InterfacialbindingbetweenCNTsandpolymersCarbon,40,1605,2002第62頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三第63頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三Negativereinforcement第64頁，共76頁，2023年，2月20日，星期三Untreated