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

• 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
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-12J03435/
• 关键词: カーボンナノチューブ; ひずみ; 電子輸送特性; タイトバインディング近似; ひずみセンサ; 第一原理解析; 状態密度分布; 電気伝導度; 非平衡グリーン関数法; グラフェンナノリボン; 分子動力学

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．

This topic の final annual で あ る は this year, axis 圧 shrinkage ひ ず み load に よ り buckling - shaped し た カ ー ボ ン ナ ノ チ ュ ー ブ (CNT) の electronic structure - the の to measuring technique を establish し た. Before the annual ま で に, carbon atoms の PI orbitals の す angles (dihedral) の variations change に よ り radius direction ひ ず み が load し た CNT の バ ン ド ギ ャ ッ プ variations change を be で き る see tong し を must て い た. そ こ で は this year, the dihedral Angle と a others な radius direction ひ ず み を load し た CNT の バ ン ド ギ ャ ッ プ の masato is detailed analytical し に を た と こ ろ, カ イ ラ リ テ ィ に よ ら ず dihedral が approximately 30 degrees to pay nearly か ら 0.07 eV/degrees の cut close で バ ン ド ギ ャ ッ プ が reduce す る こ と を Ming ら か に し た. ま た, alone に 発 し た tight binding approximation - に base づ く electronic state analytical コ ー ド を with い the inherent state の sigma - PI orbitals の composite degrees or い を parsing し た results, CNT に radius direction ひ ず み が load す る と 伝 guide 帯 に お い て sigma - PI orbitals が composite し, そ れ に よ っ て curvature の の の bureau in the orbit, the field of high and new い さ ら に state エ ネ ル ギ ー の reduce が raw じ る こ と を Ming ら か に し た. ま た, グ リ ー ン masato method を with い た electronic transmission analytical プ ロ グ ラ ム を open 発 し, axis 圧 shrinkage ひ ず み を load し た CNT の electronic transport properties - the を parsing し た. こ れ に よ り, CNT の に with い buckling critical numerical (30 degrees) を super え る dihedral の number が nasty shock に raised plus す る た め, buckling of composite で orbit に よ る electrons scattered が raised し, CNT の electric 気 が nasty shock resistance に raised plus す る こ と を Ming ら か に し た. One party で, CNT internal の owe 陥 の raised に requirement by tracing い electric 気 resistance の ひ ず み sensitivity low が す る こ と か ら, CNT を ひ ず み セ ン サ と し て 応 with す る た め に は owe 陥 density の suppression が not owe で あ る こ と を Ming ら か に し た. こ れ ら の parsing に よ り dihedral と molecular dynamics analytical に よ る structure を with い る こ と で, CNT ひ ず み sensitivity の カ イ ラ リ テ ィ や owe 陥 dependency を quantitative に be で き る see tong し が must ら れ た. こ れ ら の knowledge は, CNT の electronic features ひ ず み dependency を 応 with し た ひ ず み セ ン サ cropping や CNT デ バ イ ス の letter 頼 sex up に use さ れ る こ と が expect さ れ る.

项目成果

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)
• 作者: Masato Ohnishi;Ken Suzuki;and Hideo Miura
• 通讯作者: and Hideo Miura

Change in Spatial Distribution of State Densities of Carbon Nanotubes Under Anisotropic Strain Field

各向异性应变场下碳纳米管态密度空间分布的变化

• 发表时间: 2014
• 作者: Masato Ohnishi;Meng Yang;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

• 发表时间: 2013
• 作者: 楊猛;大西正人;鈴木研;三浦英生
• 通讯作者: 三浦英生

Effect of Three-dimensional Strain Field on Electronic Conductivity of Carbon Nanotubes

三维应变场对碳纳米管电子电导率的影响

• 发表时间: 2013
• 作者: Masato Ohnishi;Ken Suzuki;and Hideo Miura
• 通讯作者: and Hideo Miura

カーボンナノチューブ電子伝導特性のひずみ依存性解析とひずみセンサへの展開

碳纳米管电子传导特性的应变依赖性分析及其在应变传感器中的应用

• 发表时间: 2014
• 作者: 大西正人;鈴木研;三浦英
• 通讯作者: 三浦英