[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究探讨了碳纳米管C60豆荚的低温输运特性，发现包覆的C60分子在费米能级附近并未引起显著的电子反向散射。尽管在较高能量下电子结构发生强烈改变，豆荚仍表现出与空纳米管无法区分的金属性和半导体行为，且在250 mK时观察到库仑阻塞和Kondo效应，表明一维输运相干性得以保持。

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.

研究动机与目标

• 从室温到250 mK测量C60豆荚的电导率，以评估低能电子输运特性。
• 确定包覆的C60分子是否在碳纳米管中引入显著的反向散射，从而破坏一维输运。
• 利用TEM数据对填充分数进行严格的统计分析，以推断输运器件中填充纳米管的比例。
• 将豆荚的输运行为与空纳米管进行比较，评估C60对库仑阻塞和Kondo效应的影响。
• 调和隧道谱（显示强高能结构改变）与输运测量（显示低能效应微弱）之间的明显矛盾。

提出的方法

• 通过升华法合成C60豆荚，并将其分散在氯仿或邻二氯苯中，制备底栅场效应晶体管。
• 采用电子束光刻技术在热氧化硅/硅基底上定义间距为250–500 nm的Pd源极和漏极电极。
• 利用原子力显微镜（AFM）和透射电子显微镜（TEM）识别并定位单根纳米管，确定其填充状态。
• 使用贝叶斯定理并采用均匀先验，基于92根填充的纳米管（共109根成像纳米管）估算器件样品中填充分数的后验概率分布。
• 利用贝叶斯推断计算出在7个导电器件中预期有5.86根为填充状态，以避免基于样本统计过度估计填充比例。
• 测量电导率随栅压和温度（250 mK至300 K）的变化，在低温区域识别出库仑阻塞和Kondo效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 包覆在碳纳米管中的C60分子是否显著改变费米能级附近的电子输运？
• RQ2 C60在纳米管中的填充分数在多大程度上影响纳米管器件中观测到的电导率和输运行为？
• RQ3 在低温下，豆荚的输运特性与空纳米管相比有多大差异？
• RQ4 豆荚中无反向散射现象是否可由C60分子引入的长波长扰动特性来解释？
• RQ5 豆荚中观测到的输运现象（库仑阻塞、Kondo效应）与空纳米管相比如何？这对电子局域化和相干性意味着什么？

主要发现

• C60豆荚在室温下的电导率表现出的金属性或半导体行为与空纳米管无法区分。
• 在250 mK时，器件表现出库仑阻塞，表明形成了具有局域电荷的量子点，与250–500 nm纳米管段中的电子输运一致。
• 观察到自旋1/2和自旋1的Kondo效应，表明在低温区域存在强烈的电子-电子相互作用和Kondo屏蔽。
• 基于贝叶斯定理的统计分析估算出，在7个导电器件中预期有5.86个为C60填充，依据是TEM样本中92根填充的纳米管（共109根）。
• 尽管在高能区（如隧道谱所示）电子结构发生强烈改变，但在费米能级附近无反向散射，表明C60扰动本质上是长波长的，不会导致电子局域化。
• 结果表明，C60豆荚即使在C60分子存在于纳米管核心的情况下，仍能保持电子输运的一维特性，且散射极小。