[論文レビュー] Transport Properties of Carbon Nanotube C$_{60}$ Peapods

C. H. L. Quay, John Cumings+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 2006

Graphene research and applications参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、カーボンナノチューブC60ピーパッドの低温輸送特性を調査し、封入されたC60分子がフェルミ準位近くで顕著な電子バックスキャッタリングを引き起こさないことを発見した。高エネルギー領域での強い電子構造の変化にもかかわらず、ピーパッドは空のナノチューブと区別できない金属的および半導体的挙動を示し、250 mKでクーロン遮蔽およびコンドー効果が観測された。これは一次元輸送のコherentlyが保持されていることを示している。

ABSTRACT

We measure the conductance of carbon nanotube peapods from room temperature down to 250mK. Our devices show both metallic and semiconducting behavior at room temperature. At the lowest temperatures, we observe single electron effects. Our results suggest that the encapsulated C$_{60}$ molecules do not introduce substantial backscattering for electrons near the Fermi level. This is remarkable given that previous tunneling spectroscopy measurements show that encapsulated C$_{60}$ strongly modifies the electronic structure of a nanotube away from the Fermi level.

研究の動機と目的

• 室温から250 mKまでC60ピーパッドの電導度を測定し、低エネルギー電子輸送を評価すること。
• 封入されたC60分子がカーボンナノチューブに顕著なバックスキャッタリングを引き起こすかどうかを特定すること。これにより一次元輸送が破壊される可能性がある。
• TEMデータを用いた統計的厳密な充填率分析を実施し、輸送デバイス内の充填ナノチューブの割合を推定すること。
• ピーパッドの輸送挙動を空のナノチューブと比較し、C60がクーロン遮蔽およびコンドー効果に与える影響を評価すること。
• トンネル分光法（強い高エネルギー領域の変化を示す）と輸送測定（低エネルギー領域で顕著な効果なし）の間にある顕著な矛盾を解明すること。

提案手法

• 亜ヒュードレーション法を用いて合成したC60ピーパッドを、クロロホルムまたはオルトジクロロベンゼンに分散させ、ボトムゲート型フィールド効果トランジスタを作製した。
• 電子ビームリソグラフィーを用いて、熱 thermally grown SiO2/Si基板上にPdのソースおよびドレイン電極を250–500 nm間隔で定義した。
• 原子間力顕微鏡（AFM）および透過型電子顕微鏡（TEM）を用いて、個々のナノチューブを特定・位置特定し、充填状態を同定した。
• 一様な事前確率を用いてベイズの定理を適用し、92本中109本の観察ナノチューブが充填されているというデータに基づき、デバイスサンプル内の充填率の事後確率分布を推定した。
• サンプル統計に基づく過剰な充填率推定を避けるために、ベイズ推論を用いて7つの導電性デバイスに予想される充填ナノチューブ数を5.86として計算した。
• ゲート電圧および温度（250 mKから300 K）の関数として電導度を測定し、低温領域でクーロン遮蔽およびコンドー効果を特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 カーボンナノチューブに封入されたC60分子は、フェルミ準位近くの電子輸送に顕著に影響を及ぼすか？
• RQ2 ナノチューブ内のC60の充填率が、ナノチューブデバイスにおける観測された電導度および輸送挙動に与える影響は何か？
• RQ3 低温下におけるピーパッドの輸送特性は、空のナノチューブとどの程度異なるか？
• RQ4 C60分子が引き起こす摂動の長波長性が、ピーパッドにおけるバックスキャッタリングの欠如を説明できるか？
• RQ5 ピーパッドにおける観測された輸送現象（クーロン遮蔽、コンドー効果）は、空のナノチューブと比較してどう異なるか。これは電子の局在化およびコherentlyに何を示唆するか？

主な発見

• 室温におけるC60ピーパッドの電導度は、空のナノチューブと区別できない金属的または半導体的挙動を示した。
• 250 mKで、デバイスはクーロン遮蔽を示し、局在化した電荷を有する量子ドットが形成されていることを示しており、250–500 nmのナノチューブセグメントを通る電子輸送と整合的である。
• スピン1/2およびスピン1の両方のコンドー効果が観測され、低温領域で強い電子間相互作用およびコンドー遮蔽が発生していることが示された。
• ベイズの定理を用いた統計的分析により、TEMサンプルの92本中109本が充填されているというデータに基づき、7つの導電性デバイスのうち5.86本がC60で充填されていると推定された。
• トンネル分光法で観測された強い高エネルギー領域の電子構造変化とは対照的に、フェルミ準位近くでのバックスキャッタリングの欠如は、C60による摂動が実質的に長波長的であり、電子を局在化させないことを示唆している。
• 結果として、C60ピーパッドは、C60分子がナノチューブコア内に存在するにもかかわらず、一次元的輸送の特徴をほとんど損なわず、最小限の散乱で維持されていることが示唆された。