奈米碳管之導(dǎo)電性和導(dǎo)電路徑

1、關(guān)于奈米碳管之導(dǎo)電性與導(dǎo)電路徑第一張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月共軛結(jié)構(gòu) C=C-C=2D-view (骨架式)第二張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月-電子之共振結(jié)構(gòu)第三張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月Isotropic conduction-electron第四張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月捲成管狀後isotropic conduction 仍然維持第五張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月3D-view-bond (sp2)-Wave function (electron cloud)-bond-wave function價電子雲(yún)位於二個碳原子

2、間, 導(dǎo)電之電子雲(yún)位於上下二處骨架式第六張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月120e-e-電子可於圓形3D空間內(nèi)運行第七張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月-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八張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月六連環(huán)俯視圖側(cè)視圖骨架 + 電子雲(yún) (形成3D view)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(jìn)第九張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月1z由於波函數(shù)(wav

3、e function)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第十張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月xyxy無外加電場沿管軸方向外加電場時Espiral conduction第十一張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月2D: isotropic conduction (骨架式共軛結(jié)構(gòu))碳管之導(dǎo)電路徑3D: along x (circumference) and y (tube axial) axes conduction without external electric field 3D: spiral conduction oc

4、curs when external electric field is applied第十二張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月電子雲(yún)于碳管表面第十三張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月Standing wave patternWave function imageSTM images第十四張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月碳管之能帶結(jié)構(gòu)第十五張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月石墨晶格1st Brillourin zone第十六張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月CBVB6 k-points平面圖3D-view第十七張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月

5、能量最大第十八張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月CB joins with VB at k-pointsk-pointVBCBEFAbove means that if any sub-bands cross at k-points would be metallic natureotherwise tube is a semiconducting property.第十九張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月One atom one energy level (sub-band) with unpaired electronTwo atoms two energy levels

6、with one bondingand one anti-bondingbondinganti-bondingThree atoms three energy levels with one bonding, one anti-bonding and one unpaired electronEach sub-band has own velocity and wave vectorIf any of these vectors cross at k-pointsor intercept EF the nanotube would be a metallic nature.第二十張，PPT共七

7、十六頁，創(chuàng)作于2022年6月Metallic natureWave vector第二十一張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月Band-gap第二十二張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月第二十三張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月where a1 and a2 are unit vectors, and n and m are integers. A nanotube constructed in this way is called an (n,m) nanotube Chiral vector = Ch = na1 + ma2第二十四張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6

8、月第二十五張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月d = (3)1/2aC-C(m2 +mn +n2)1/2/)Where aC-C = 1.42 : the nearest neighbor carbon-carbon distance = tan-1(3)1/2n/(2m+n)Example: for zigzag tube when = 0 with (n,0) = (9,0), d= 7.05 for armchair tube, (n,n) = (5,5), d= 6.83 第二十六張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月zigzag edgearmchair30: Semico

9、nducting: 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): zigzag tubes(n,n): armchair tubes(n,m): chiral tubes2n + m = 3q; (q: integer)第二十七張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月為何文獻(xiàn)總是說碳管之電性取決於管徑(tube diameter) 與螺旋性 (chirality)波向量隨直徑變化而位移第二十八張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月 = 15 = 25De

10、termination by tube Chirality 波向量隨管之螺旋性而變化第二十九張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月文獻(xiàn)說不論直徑為何只要nanotubes是armchair edge均是metallic nature (no band gap)因為波向量永遠(yuǎn)座落於k-points上且此六邊形對稱不隨管直徑而變化第三十張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月文獻(xiàn)說zigzag nanotube有三分之一會是metallic tube,三分之二是semiconductor 第三十一張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月Bent Nanotube- Nano-Schottk

11、y barrierarmchairzigzagM1/3M, 2/3S假設(shè)為S-M(機(jī)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無法回流第三十二張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月第三十三張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月第三十四張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月第三十五張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月zigzagarmchair第三十六張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月第三十七張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月STM tip第三十八張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月STM TIPLocalized state (local

12、Schottky device)波向量在六連環(huán)結(jié)構(gòu)上可來回波向量不可逆第三十九張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月Science by C.M. Leiber et al第四十張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月多層碳管之導(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Outermost layerInnermost layer 電極e-e-e-第四十一張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月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

13、, 2001 Removal of carbon layers byElectrical breakdown第四十二張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月MS第四十三張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月Contribution to total conductance from individual layers第四十四張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月 Carbon nanotubes can carry electrical current up to 109 A/cm2So how to remove carbon layers in a vacuum via elec

14、trical breakdown?Current induced defect formationSelf-heatingDefect extensionRemoval of carbon layer on the order of ms第四十五張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月1. Alternative electronic property of MWNTs, M-S-M-S2. Removal of each layer reduces current of 19 A.3. A MWNT conducts electrical current only at outer-lay

15、er where they contact with electrodes. Nevertheless, when MWNTs are modulated at higher bias voltage the inner-layers also contribute to nanotube conductance via inter-layer barriers (thermally activated conduction). Summaries4. Inner layers only contribute limitedly to nanotube conductance, because

16、 they have to overcome interlayer barriers of 0.34 nm spacing. 第四十六張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月早期量測單根多壁碳管1. J. Vac.Sci.Tech. B, 13, 327, 1995, by Rivera et al (STM)2. Syn.Metals. 70, 1393, 1995, by Langer et al (STM + lithographic tech)3. Nature, 382, 54, 1996, by Ebbesen et al (four terminal + lithographi

17、c tech)4. Science, 272, 523, 1996, by Dai et al (four terminal + lithographic tech)第四十七張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月Two terminal methodFour terminal method第四十八張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月1. Averaged resistivity of nanotube tube is 10-4 10-5 m.(arc made) 2. Resistivity of metallic nanotubes is 10-6 m. (arc made) 3.

18、 Resistivity of defective carbon nanotubes is 10-2 10-3 m. (pyrolysis made)4. Band gap of semiconducting nanotubes is 0.1 2 eV, and is thermally activated type (negative temp coefficient of resistivity), also is gate voltage dependent conductance.5. Metallic nanotubes are gate voltage independent an

19、d positive temp coefficient of resistivity.Summaries of nanotube resistivity measurements第四十九張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月Temp (k)RPositive temp coefficient of resistivityNegative temp coefficient of resistivity第五十張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月VGdI/dV(G)VG independent VG dependentVG dependent第五十一張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6

20、月llBy Baumgartner et al, PRB, 55, 6704, 1997Resistivity of CNT films第五十二張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月e-hopping第五十三張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月第五十四張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月Resistivity of CNT-polymer compositesCNTspolymer第五十五張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月electrodesLow content of CNT in polymer a. Primary capacitive phase b. High

21、 resistance c. No conduction paths between electrodes2. CNT load increases a. capacitance decreases b. Resistance decrease c. conduction paths begins to establish3. High CNT load a. Low capacitance b. Low resistance c. Conduction path formation 第五十六張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月CNT loadRElectrical threshold

22、Adv.Mater, 10, 1091, 1998第五十七張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月Adv.Mater, 11, 937, 1999第五十八張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月Technical challenges for CNTs in polymer 2. Interfacial binding between CNTs and polymers1. Dispersion of CNTs in polymersUneven distribution of CNTsCNT enriched regionsCNT deficit regions第五十九張，PPT共七十六

23、頁，創(chuàng)作于2022年6月Dispersion of CNTs in polymers1. Lengthy mechanical blending, (ultra-sonicate, magnetic stirring) 2. Surfactant assistant (lowering interfacial strength, so CNTs move easily in polymer solution)surfactant第六十張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月CNT enriched regionCNT deficit regionsChem.Mater, 12, 1049, 2000第六十一張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月Interfacial binding between CNTs and polymersCarbon, 40, 1605, 2002第六十二張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月第六十三張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月Negative reinforcement第六十四張，P