[論文レビュー] Electonic transport properties of nitrate-doped carbon nanotube networks

Tomi Ketolainen, Ville Havu+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2017

Carbon Nanotubes in Composites参考文献 43被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、密度汎関数理論（DFT）を用いて硝酸塩ドーピングされたカーボンナノチューブ（CNT）ネットワークを調査し、NO₃分子が電子受容体として機能し、CNTから電子を移動させることでp型ドーピングを誘発することを明らかにした。ドーピングは特に半導体性CNTおよびその接合部で電子移動度を顕著に向上させ、フェルミ準位がヴァン・ホーブ特異点の下にシフトすることで、最大10倍の導電度向上が観察された。

ABSTRACT

The conductivity of carbon nanotube (CNT) networks can be improved markedly by doping with nitric acid. In the present work, CNTs and junctions of CNTs functionalized with NO$_3$ molecules are investigated to understand the microscopic mechanism of nitric acid doping. According to our density functional theory band structure calculations, there is charge transfer from the CNT to adsorbed molecules indicating p-type doping. The average doping efficiency of the NO$_3$ molecules is higher if the NO$_3$ molecules form complexes with water molecules. In addition to electron transport along individual CNTs, we have also studied electron transport between different types (metallic, semiconducting) of CNTs. Reflecting the differences in the electronic structures of semiconducting and metallic CNTs, we have found that besides turning semiconducting CNTs metallic, doping further increases electron transport most efficiently along semiconducting CNTs as well as through a junction between them.

研究の動機と目的

• 窒素酸ドーピングの微視的メカニズムを理解することを目的とし、NO₃の吸着および電荷移動に焦点を当てる。
• ドーピングが金属性CNTおよび半導体性CNT間の接合部における電子移動度に与える影響を調査すること。
• 水分子がNO₃錯体形成に果たす役割と、ドーピング効率およびCNT-分子間距離に与える影響を特定すること。
• 金属性CNTと半導体性CNTにおけるNO₃ドーピングの効率および導電度向上を比較すること。
• ドーピングされたCNT系における輸送特性に与えるフェルミ準位のヴァン・ホーブ特異点からのシフトの影響を評価すること。

提案手法

• 電子バンド構造および透過関数の計算に、PBEおよびHSE06関数を用いた密度汎関数理論（DFT）を用いた。
• 幾何最適化にはFHI-aimsコードを用い、軽量および高精度の基底関数設定を併用し、Tkatchenko-Schefflerのファンデルワールス補正を含めた。
• （8,8）金属性CNTおよび（10,0）半導体性CNTにNO₃分子をドープした系を対象とし、ドーパント濃度を変化させるとともに、H₂O分子の存在を組み込んだ。
• 1個のNO₃分子を含む系についてスピン極化計算を実施し、フェルミ準位近傍の電子状態に及ぼす磁気的効果を評価した。
• 透過関数を用いて導電度を評価し、フェルミ準位のヴァン・ホーブ特異点に対するシフトを分析した。
• ファンデルワールス補正有無での平均CNT-分子間距離を計算し、吸着強度への影響を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CNT上へのNO₃分子吸着が電荷移動およびドーピング型（n型またはp型）に与える影響は何か？
• RQ2 NO₃ドーピングが個々の金属性および半導体性CNTにおける電子移動度に与える影響は何か？
• RQ3 共存するH₂O分子の存在がNO₃の吸着およびドーピング効率に与える影響は何か？
• RQ4 なぜNO₃ドーピングによって半導体性CNT接合部の導電度向上が金属性CNTよりも顕著に現れるのか？
• RQ5 フェルミ準位がヴァン・ホーブ特異点の下にシフトすることで、ドーピングされたCNT系の輸送特性がどの程度向上するのか？

主な発見

• NO₃分子は電子受容体として機能し、CNTから電子を移動させることでp型ドーピングを誘発することが、バンド構造計算によるフェルミ準位の低下によって確認された。
• NO₃ドーピングされた（8,8）CNTにおける平均CNT-分子間距離は、ドーパント濃度が1〜8の間でほぼ一定の約3.07 Åを維持しており、濃度依存性が弱いことが示された。
• H₂O分子の導入により、CNT-NO₃距離は3.05 Åから3.16 Åに増加し、空間的および静電的効果によって吸着強度が低下した。
• 半導体性CNTのドーピングは顕著な導電度上昇を引き起こし、複数のNO₃分子が存在する接合部では最大10倍の改善が観察された。
• 金属性CNTではドーピングによって管内導電度がわずかに低下するにとどまり、フェルミ準位がヴァン・ホーブ特異点に効果的にシフトしないことが要因である。
• 導電度向上が最も顕著に現れるのは、半導体性CNTにおいてフェルミ準位がヴァン・ホーブ特異点の下にシフトした場合であり、これは透過確率を最大化するためである。