カーボンナノチューブの電気伝導特性ひずみ依存性解明と超高感度ひずみセンサへの応用

阐明碳纳米管导电性能的应变依赖性及其在超灵敏应变传感器中的应用

基本信息

批准号：
12J03435
负责人：
大西正人
金额：
$ 1.92万
依托单位：
Tohoku University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2012
资助国家：
日本
起止时间：
2012-04-01 至 2015-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本課題の最終年度である本年度は，軸方向圧縮ひずみ負荷により屈曲変形したカーボンナノチューブ（CNT）の電子構造変化の予測手法を確立した．前年度までに，炭素原子のπ軌道の成す角（二面角）の変化により半径方向ひずみが負荷したCNTのバンドギャップ変化を予測できる見通しを得ていた．そこで本年度は，二面角と一様な半径方向ひずみを負荷したCNTのバンドギャップの関係を詳細に解析したところ，カイラリティによらず二面角が約30度付近から0.07 eV/度の割合でバンドギャップが減少することを明らかにした．また，独自に開発したtight-binding近似に基づく電子状態解析コードを用い各固有状態のσ-π軌道の混成度合いを解析した結果，CNTに半径方向ひずみが負荷すると伝導帯においてσ-π軌道が混成し，それによって曲率の高い領域の軌道の局在化，さらに状態エネルギーの減少が生じることを明らかにした．また，グリーン関数法を用いた電子輸送解析プログラムを開発し，軸方向圧縮ひずみを負荷したCNTの電子輸送特性変化を解析した．これにより，CNTの屈曲に伴い臨界値（30度）を超える二面角の数が急激に増加するため，屈曲部で軌道混成による電子散乱が増加し，CNTの電気抵抗が急激に増加することを明らかにした．一方で，CNT内部の欠陥の増加に伴い電気抵抗のひずみ感度が低下することから，CNTをひずみセンサとして応用するためには欠陥密度の制御が不可欠であることを明らかにした．これらの解析により二面角と分子動力学解析による構造解析を用いることで，CNTひずみ感度のカイラリティや欠陥依存性を定量的に予測できる見通しが得られた．これらの知見は，CNTの電子特性ひずみ依存性を応用したひずみセンサ作製やCNTデバイスの信頼性向上に活用されることが期待される．

今年是这项任务的最后一年，我们建立了一种预测由于轴向压缩应变载荷而弯曲并变形的碳纳米管（CNT）的电子结构变化的方法。到上一年，由于碳原子的角度（二面角）（二面角）的角度变化，我们有前景可以预测径向应变下CNT的带隙变化。因此，在今年，我们详细分析了二面角角与均匀径向应变下CNT的带隙之间的关系，发现带隙从约30度降低至0.07 eV/程度，而不论chirality如何。 Furthermore, we analyzed the degree of hybridization of the σ-π orbitals in each eigenstate using an electronic state analysis code based on the tight-binding approximation, and found that when radial strain is applied to the CNT, the σ-π orbitals become hybridized in the conduction band, resulting in localization of orbitals in areas with high curvature and further decrease in state energy.我们还使用绿色功能方法开发了电子传输分析程序，以分析受轴向压缩应变的CNT的电子传输特性的变化。这表明，随着超过临界值（30度）的二面角数量突然随着CNT的弯曲而增加，由于弯曲部分轨道杂交引起的电子散射增加，CNT的电阻迅速增加。另一方面，随着CNT内部的缺陷减小，随着CNT内部的缺陷的减小，电阻的应变灵敏度会降低，并且发现控制缺陷密度对于将CNT应用于应变传感器至关重要。这些分析提供了通过使用二面角和分子动力学分析的结构分析来定量预测手性和缺陷依赖性的前景。这些发现预计将使用CNT电子特性的应变依赖性来制造应变传感器，并提高CNT设备的可靠性。

项目成果

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Spatial distribution of state densities dominating strain sensitivity of carbon nanotubes

主导碳纳米管应变敏感性的态密度空间分布

DOI：
10.1109/sispad.2014.6931589
发表时间：
2014
期刊：
Proceedings of 2014 International Conference on Simulation of Semiconductor Processes and Devices (SISPAD)
影响因子：
0
作者：
Masato Ohnishi;Ken Suzuki;and Hideo Miura
通讯作者：
and Hideo Miura

グラフェン電気伝導性のひずみ依存性

石墨烯电导率的应变依赖性