[논문 리뷰] Electonic transport properties of nitrate-doped carbon nanotube networks

Tomi Ketolainen, Ville Havu외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 16.

Carbon Nanotubes in Composites참고 문헌 43인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 밀도함수이론(DFT)을 사용하여 질산염 도핑된 탄소 나노튜브(CNT) 네트워크를 조사하여 NO₃ 분자가 전자를 수용체로 작용함으로써 CNT에서 전자를 이탈시켜 p형 도핑을 유도함을 밝혀냈다. 도핑은 전자 이동성, 특히 반도체 CNT 및 그들의 접합부에서 크게 향상되며, 반도체 CNT의 밴드 갭 근처의 반데르발스 특이점 아래로 페르미 준위가 내려가면서 최대 10배의 전도도 향상이 관찰되었다.

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.

연구 동기 및 목표

• 질산 도핑이 CNT 네트워크에 미치는 미세한 메커니즘을 이해하기 위해 NO₃의 흡착 및 전하 이동을 집중적으로 분석한다.
• 도핑이 금속성 및 반도체 CNT에서 개별적으로 전자 이동성에 미치는 영향을 조사한다.
• 수분 분자가 NO₃ 복합체 형성에 미치는 영향과 도핑 효율성 및 CNT-분자 간 거리에 미치는 영향을 규명한다.
• 금속성 및 반도체 CNT에서 NO₃ 도핑에 따른 도핑 효율성과 전도도 향상 정도를 비교한다.
• 페르미 준위가 반도체 CNT 시스템의 반데르발스 특이점 아래로 이동함에 따라 전자 이동성에 미치는 영향을 평가한다.

제안 방법

• 전자 밴드 구조 및 전송 함수를 계산하기 위해 PBE 및 HSE06 함수를 사용한 밀도함수이론(DFT)을 적용하였다.
• 기하학적 최적화는 경량 및 강력한 기본함수 설정을 사용한 FHI-aims 코드를 활용하였으며, Tkatchenko-Scheffler 반데르발스 보정을 포함하였다.
• 도핑 농도 변화 및 수분 분자의 존재 여부를 고려하여 (8,8) 금속성 CNT 및 (10,0) 반도체 CNT에 NO₃ 분자를 도핑한 시스템을 분석하였다.
• 스핀-편극 계산을 수행하여 하나의 NO₃ 분자를 포함한 시스템에서 페르미 준위 근처 전자 상태에 미치는 자성 효과를 평가하였다.
• 전도도는 전송 함수를 통해 평가하였으며, 페르미 준위의 이동을 반데르발스 특이점과의 상대적 관계에서 분석하였다.
• 반데르발스 보정 유무에 따라 평균 CNT-분자 거리를 계산하고 비교하여 흡착 강도를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CNT에 NO₃ 분자가 흡착될 경우 전하 이동 및 도핑 유형(n형 또는 p형)에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 NO₃ 도핑이 개별 금속성 및 반도체 CNT의 전자 이동성에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ3 동시 흡착된 H₂O 분자가 NO₃의 흡착 및 도핑 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 왜 NO₃ 도핑 시 반도체 CNT 접합부에서 전도도 향상이 금속성 CNT보다 더 두드러지는가?
• RQ5 페르미 준위가 반도체 CNT의 반데르발스 특이점 아래로 이동함에 따라 전자 이동성이 얼마나 향상되는가?

주요 결과

• NO₃ 분자는 전자를 수용체로 작용하여 CNT에서 전자를 이탈시키며 p형 도핑을 유도함을 밴드 구조 계산을 통해 확인하였다.
• 1에서 8개의 도핑 분자까지 농도 변화에 관계없이 (8,8) CNT의 평균 CNT-분자 거리는 약 3.07 Å로 거의 일정하여 농도 의존성이 약한 것으로 나타났다.
• H₂O 분자를 포함시킬 경우 스테릭 및 전기적 효과로 인해 CNT-NO₃ 거리가 3.05 Å에서 3.16 Å로 증가하여 흡착 강도가 감소하였다.
• 반도체 CNT의 도핑은 전도도를 크게 향상시키며, 다수의 NO₃ 분자를 포함한 접합부에서 최대 10배의 전도도 향상이 관찰되었다.
• 금속성 CNT는 도핑 시 내부 전도도가 약간 감소할 뿐이며, 이는 페르미 준위가 반데르발스 특이점 쪽으로 효율적으로 이동하지 않기 때문이다.
• 반도체 CNT에서 페르미 준위가 반데르발스 특이점 아래로 이동할 경우 전도도 향상이 가장 효과적으로 나타나며, 이는 전송 확률을 최대화하기 때문이다.