カーボンナノチューブの走査型プローブ顕微鏡による電子物性評価

本研究は、走査型プローブ顕微鏡、特に原子間力顕微鏡を用いて単層カーボンナノチューブ(SWNT)の電子物性評価を行うことを目的としている。SWNTは理想的な一次元量子細線であることが知られており、一般にチャネル長が300nmより短いときにバリスティック伝導が観察されている。本年度は、電子線リソグラフィーにより作製した300nm以下のギャップ長をもつナノギャップ電極に、誘電泳動法を用いてSWNTを架橋させ、周波数検出法を用いたケルビン原子間力顕微鏡(FM-KFM)、ならびに前年度に新規開発したPoint-by-point AFMPを用いて、バイアス電圧を印加したときの表面電位を測定し、電気伝導を評価した。FM-KFMでナノギャップ電極に架橋したSWNTを評価すると、一般に同手法は分解能の高い測定手法として知られているが、このように狭い領域に複雑な電場が形成される状況では、SWNTに由来する静電気力以外に基板や電極に由来する背景力の影響を受けやすく、測定領域の電位測定精度・分解能が低下することがわかった。一方で、新規に開発したAFMPでは静電気力の影響を受けにくく、明瞭にナノスケールの電位を測定することに成功した。その電気伝導についてであるが、金属SWNTの例では、そのチャネルに沿って電位プロファイルを取得すると、チャネル全体としては電位が変化しており、拡散的に伝導しているが、カソード電極近傍の電位が平坦な領域が観察され、この領域ではバリスティック伝導している結果が得られた。また、p型のカーボンナノチューブ電界効果トランジスタ(CN-FET)の場合では、フェルミレベルが変化することで、ソース電極で形成されているSchottky障壁の障壁が薄くなってホールが注入されていることが電位計測から直接的に示唆された。

本研究は、走査型プローブ顕微鏡、特に原子間力顕微鏡を用いて単層カーボンナノチューブ(SWNT)の電子物性評価を行うことを目的としている。SWNTは理想的な一次元量子細線であることが知られており、一般にチャネル長が300nmより短いときにバリスティック伝導が観察されている。本年度は、電子線リソグラフィーにより作製した300nm以下のギャップ長をもつナノギャップ電極に、誘電泳動法を用いてSWNTを架橋させ、周波数検出法を用いたケルビン原子間力顕微鏡(FM-KFM)、ならびに前年度に新規開発したPoint-by-point AFMPを用いて、バイアス電圧を印加したときの表面電位を測定し、電気伝導を評価した。FM-KFMでナノギャップ電極に架橋したSWNTを評価すると、一般に同手法は分解能の高い測定手法として知られているが、このように狭い領域に複雑な電場が形成される状況では、SWNTに由来する静電気力以外に基板や電極に由来する背景力の影響を受けやすく、測定領域の電位測定精度・分解能が低下することがわかった。一方で、新規に開発したAFMPでは静電気力の影響を受けにくく、明瞭にナノスケールの電位を測定することに成功した。その電気伝導についてであるが、金属SWNTの例では、そのチャネルに沿って電位プロファイルを取得すると、チャネル全体としては電位が変化しており、拡散的に伝導しているが、カソード電極近傍の電位が平坦な領域が観察され、この領域ではバリスティック伝導している結果が得られた。また、p型のカーボンナノチューブ電界効果トランジスタ(CN-FET)の場合では、フェルミレベルが変化することで、ソース電極で形成されているSchottky障壁の障壁が薄くなってホールが注入されていることが電位計測から直接的に示唆された。