1、關(guān)于奈米碳管之導(dǎo)電性與導(dǎo)電路徑第1頁，共76頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四共軛結(jié)構(gòu) C=C-C=2D-view (骨架式)第2頁，共76頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四-電子之共振結(jié)構(gòu)第3頁，共76頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四Isotropic conduction-electron第4頁，共76頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四捲成管狀後isotropic conduction 仍然維持第5頁，共76頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四3D-view-bond (sp2)-Wave function (electron c

2、loud)-bond-wave function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，2022年，5月20日，0點24分，星期四120e-e-電子可於圓形3D空間內(nèi)運行第7頁，共76頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四-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，2022年，5月20日，0點24分，星期四六連環(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,

3、 y, zxyz也就是說電子可延三個方向前進第9頁，共76頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四1z由於波函數(shù)(wave 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10頁，共76頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四xyxy無外加電場沿管軸方向外加電場時Espiral conduction第11頁，共76頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四2D: 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 a

4、xial) axes conduction without external electric field 3D: spiral conduction occurs when external electric field is applied第12頁，共76頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四電子雲(yún)于碳管表面第13頁，共76頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四Standing wave patternWave function imageSTM images第14頁，共76頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四碳管之能帶結(jié)構(gòu)第15頁，共76頁，2022年，5月20

5、日，0點24分，星期四石墨晶格1st Brillourin zone第16頁，共76頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四CBVB6 k-points平面圖3D-view第17頁，共76頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四能量最大第18頁，共76頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四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 semicond

6、ucting property.第19頁，共76頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四One atom one energy level (sub-band) with unpaired electronTwo atoms two energy levels with one bondingand one anti-bondingbondinganti-bondingThree atoms three energy levels with one bonding, one anti-bonding and one unpaired electronEach sub-band has o

7、wn velocity and wave vectorIf any of these vectors cross at k-pointsor intercept EF the nanotube would be a metallic nature.第20頁，共76頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四Metallic natureWave vector第21頁，共76頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四Band-gap第22頁，共76頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四第23頁，共76頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四where a1 and a2 ar

8、e 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24頁，共76頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四第25頁，共76頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四d = (3)1/2aC-C(m2 +mn +n2)1/2/)Where aC-C = 1.42 : the nearest neighbor carbon-carbon distance = tan-1(

9、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26頁，共76頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四zigzag edgearmchair30: 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): zigzag tubes(n,n): arm

10、chair tubes(n,m): chiral tubes2n + m = 3q; (q: integer)第27頁，共76頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四為何文獻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28頁，共76頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四 = 15 = 25Determination by tube Chirality 波向量隨管之螺旋性而變化第29頁，共76頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四文獻說不論直徑為何只要nanotubes是armchair edge均是me

11、tallic nature (no band gap)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，2022年，5月20日，0點24分，星期四文獻說zigzag nanotube有三分之一會是metallic tube,三分之二是semiconductor 第31頁，共76頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四Bent Nanotube- Nano-Schottky barrierarmchairzigzagM1/3M, 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，2022年，5月

12、20日，0點24分，星期四第33頁，共76頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四第34頁，共76頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四第35頁，共76頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四zigzagarmchair第36頁，共76頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四第37頁，共76頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四STM tip第38頁，共76頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四STM TIPLocalized state (local 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39頁，共76頁，2022年

13、，5月20日，0點24分，星期四Science by C.M. Leiber et al第40頁，共76頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四多層碳管之導(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41頁，共76頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四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, 2001 Removal of carbon layers

14、 byElectrical breakdown第42頁，共76頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四MS第43頁，共76頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四Contribution to total conductance from individual layers第44頁，共76頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四 Carbon nanotubes can carry electrical current up to 109 A/cm2So how to remove carbon layers in a vacuum via electrical breakd

15、own?Current induced defect formationSelf-heatingDefect extensionRemoval of carbon layer on the order of ms第45頁，共76頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四1. 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-layer wher

16、e 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 they h

17、ave to overcome interlayer barriers of 0.34 nm spacing. 第46頁，共76頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四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 + lithographic

18、 tech)4. Science, 272, 523, 1996, by Dai et al (four terminal + lithographic tech)第47頁，共76頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四Two terminal methodFour terminal method第48頁，共76頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四1. Averaged resistivity of nanotube tube is 10-4 10-5 m.(arc made) 2. Resistivity of metallic nanotubes is 10-6 m. (a

19、rc made) 3. 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 ind

20、ependent and positive temp coefficient of resistivity.Summaries of nanotube resistivity measurements第49頁，共76頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四Temp (k)RPositive temp coefficient of resistivityNegative temp coefficient of resistivity第50頁，共76頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四VGdI/dV(G)VG independent VG dependentVG dependent

21、第51頁，共76頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四llBy Baumgartner et al, PRB, 55, 6704, 1997Resistivity of CNT films第52頁，共76頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四e-hopping第53頁，共76頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四第54頁，共76頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四Resistivity of CNT-polymer compositesCNTspolymer第55頁，共76頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四electrodesLow content

22、 of CNT in polymer a. Primary capacitive phase b. High 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

23、56頁，共76頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四CNT loadRElectrical threshold Adv.Mater, 10, 1091, 1998第57頁，共76頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四Adv.Mater, 11, 937, 1999第58頁，共76頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四Technical challenges for CNTs in polymer 2. Interfacial binding between CNTs and polymers1. Dispersion of CNTs in polymersUneven

24、distribution of CNTsCNT enriched regionsCNT deficit regions第59頁，共76頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四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60頁，共

25、76頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四CNT enriched regionCNT deficit regionsChem.Mater, 12, 1049, 2000第61頁，共76頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四Interfacial binding between CNTs and polymersCarbon, 40, 1605, 2002第62頁，共76頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四第63頁，共76頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四Negative reinforcement第64頁，共76頁，2022年，5月20日，0點24分，星期四Untreat