双壁碳纳米管电输运性质研究

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双壁碳纳米管是最简单的多壁碳纳米管,可看作由单壁碳纳米管以共轴嵌套的方式构成。和单壁碳纳米管相比,双壁碳纳米管结构上的复杂性引起人们极大的兴趣。基于双壁碳纳米管,人们已经在实验上成功构建了纳米电容、纳米转子、场效应管等纳米器件;同时,由于它具有双层几何结构,它也可以作为研究纳米尺度的电学和振动耦合作用的理想模型。本文主要论述以电学测试为主要手段,对电子在双壁碳纳米管中的输运过程展开的研究。  材料的物理特性取决于其结构。因此,对材料的结构进行物理或化学性的修饰以研究材料的物性是一种极为常见的探测材料特性的研究手段。相应地,我们利用低能量的Ar+等离子体对双壁碳纳米管进行物理刻蚀。经过原子显微镜表征,我们发现,在合适的刻蚀条件下,双壁碳纳米管的管壁可以被逐层移除。我们通过电学测量的方法进一步表征了刻蚀效应对其电学性质的影响,实验结果表明,双壁碳纳米管的外层管壁对内层管壁有极强的电学屏蔽作用。  在纳米器件中,器件的电输运特性往往取决于纳米材料与电极材料形成接触界面性质。我们选取外层管壁为半导体型而内层管壁为金属型的双壁碳纳米管场效应管对器件的电极接触作用进行了较为详尽的研究。我们发现,当外层管壁处于开态时,电子-声子相互作用在电子输运过程中得到显著的体现;而当外层管壁处于关态时,在器件的电导与偏压的关系曲线中可显著地观察到低能输运受抑导致的电导零偏压异常的现象。我们认为,以上现象是由于内外层管壁接触电阻的性质不同导致其占主导地位的电子输运机理不同而产生的。我们通过建立一个简单的模型定量地解释了实验上观察到的现象。该模型认为,在双壁碳纳米管中,接触电阻大的内层管壁的电输运过程中电子从电极隧穿至纳米管中Luttingerliquid得到显著体现;而在接触电阻小的外层管壁的电输运过程中,碳纳米管管壁的电声作用得到显著地体现。我们的理论分析对于认识双壁碳纳米管或者其它双层纳米结构的电学器件中的电子输运过程有很好的启发作用。  此外,在本论文中,我们对双壁碳纳米管器件的1/f噪音特性和双壁碳纳米管量子点的低温输运特性也作了非常初步的研究。
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