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NANOELETTRONICA DEI
NANOTUBI DI CARBONIO
16/06/2014
Silvia Battistoni
Breve Sommario
2

Proprietà di trasporto Elettrico dei Nanotubi di
Carbonio (CNT)
 La
chiralità
 Le proprietà di trasporto
 Trasporto
quantistico
 Il tunneling
 Interazione elettrone-fonone (alti campi)
Breve Sommario
3

Applicazioni nella nanoelettronica:
-
FET
 La
geometria
 Modulazione del canale
 Il principio di funzionamento
 Effetti di Pinch off e scatering fononico
 Diodo
di Esaki
 Struttura
 Principio
di funzionamento
Breve Sommario
4

Applicazioni nella nanoelettronica:
 Altri
dispositivi
 Giunzioni
di SWNT
 Applicazioni di memoria
 Giunzioni SWNT-metallo
Due tipi di Nanotubo
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Its structure can be specified by a
vector Ch (the chiral vector AA)
which connects two
crystallographically equivalent
sites.
A SWNT’s geometry is completely
specified by a pair of integers
n,m denoting the relative position
Ch=na1+ma2 of the pair of atoms
on a graphene strip.
Charlier, Jean-Christophe, Xavier Blase, and Stephan Roche. Reviews of modern physics 79.2 (2007): 677.
Due tipi di Nanotubo
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Nanotubes of the type n,0 are called zigzag tubes. Such tubes display
carbon-carbon bonds parallel to the nanotube axis.
Nanotubes of the type n,n are called armchair tubes. Such tubes
display carbon-carbon bonds perpendicular to the nanotube axis.
Charlier, Jean-Christophe, Xavier Blase, and Stephan Roche. Reviews of modern physics 79.2 (2007): 677.
Due tipi di Nanotubo
7
Armchair (n,n) SWCNTs are metallic.
SWCNT either of zigzag (n,0) type or of chiral (n,m) type is metallic
only if (n-m)/3 is an integer.
Otherwise is a semiconductor with a band gap depending inversely on
its diameter
Charlier, Jean-Christophe, Xavier Blase, and Stephan Roche. Reviews of modern physics 79.2 (2007): 677.
P.M. Ajayan. Chem. Rev. 99.1787 (1999):.
Due tipi di Nanotubo
8
(12,0)
(13,0)
N. Hamada et al., Phys. Rev. Lett. 68, 1579 (1992).
Due tipi di Nanotubo
9
J. W. G. Wildoer, L. C. Venema, A. G. Rinzler, R. E. Smalley, and C. Dekker, Nature 391, 59 (1998).
Le proprietà di trasporto:
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A seconda delle condizioni, si hanno diversi effetti:
• T ambiante:
Problema dei contatti
• T basse
Il bloccaggio coulombiano
L’effetto prossimità
• Interazione elettrone elettrone
• Interazione elettrone fonone
S. J. Tans, M. H. Devoret, H. Dai, A. Thess, R. E. Smalley, L. J. Geerligs, and C. Dekker, Nature 386, 474 (1997).
Le proprietà di trasporto:
la conduzione balistica
11

I nanotubi sono dei quantum wire.

La conduzione è quantizzata.


Quando la lunghezza del nanotubo è minore del cammino libero
medio degli elettroni allora la conduzione è balistica.
Gli elettroni quindi viaggiano senza
incontrare scattering (no resistance)
e non dissipano energia.

In presenza di centri di scattering
(difetti) la perfetta simmetria viene meno e
viene meno anche la conduzione balistica
J. W. Park, J. Kim, J.-O. Lee, K.-C. Kang, J.-J. Kim, and K.-H. Yoo, Appl. Phys. Lett. 80, 133 (2002).
L. Chico, L. X. Benedict, S. G. Louie, and M. L. Cohen, Phys. Rev. B 54, 2600 (1996).
S. J. Tans, M. H. Devoret, H. Dai, A. Thess, R. E. Smalley, L. J. Geerligs, and C. Dekker, Nature 386, 474 (1997).
Landauer formula
12

Assuming no scattering and ideal contacts, the conductance of the
one-dimensional system is given by
G = G0NT

T is the probability that an electron will be transmitted along the
channel,

N is the number of the channels available for transport, and

G0 is the conductance quantum 2e2/h.

No back scattering (T = 1) and the conductance of the system
becomes G = (2e2/h) N.
L. Chico, L. X. Benedict, S. G. Louie, and M. L. Cohen, Phys. Rev. B 54, 2600 (1996).
Le proprietà di trasporto
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

Le geometria del device e la caratterizzazione a
temperatura ambiente
Il problema dei contatti elettrici
CNT metallici
Resistenza di contatto

La geometria simile ad un FET

La natura del CNT altera la risposta
del device in conduttanza SD:
CNT Metallici
Voltaggio di
Gate
CNT Semiconduttori
L’interazione elettrone elettrone
14


In generale in un conduttore, le interazioni
Coulombiane non alterano in maniera significativa
gli stati energetici vicino EF
In un sistema 1D questo non è più vero e anche
piccole interazione si traducono in grandi
perturbazioni nel sistema
Liquido di
Luttinger
L’interazione elettrone elettrone
15



La forza di interazione elettronica in un LL è
descritta dal parametro g:
g = 1 Sistema non interagente
g < 1 Interazioni repulsive Coulombiane
g = 0,22
Nanotubi sono fortemente correlati
Il tunneling
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La conducibilità per tunneling va come :
G(T) ≈Tα
Se eV<<kBT
Mentre a voltaggi più alti (eV>>KBT)
dI/dV≈Vα
Tunneling tra due LLs
Z. Yao, H. W. Ch. Postma, L. Balents, C. Dekker: Nature 402, 273 (1999) 155
M. Bockrath, D. H. C obden, J. Lu, A. G. Rinzler, R. E. Smalley, L. Balents, P. L. McEuen: Nature 397, 598 (1999)
L’interazione elettrone-fonone
17

Se i contatti generano bassa resistenza, quando
applico V si genera un campo elettrico nel NT
I FET: la geometria
18
R. Martel et al., Appl.Phys. Lett. 73, 2447 (1998).
I FET: la modulazione del canale
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Schematic plots of channel conductance gd as a
function of gate voltage VG in SWNT FET under
various
conditions: (a) characteristics in air at early
stage of research, (b) with an improved contact
in air, (c) with an
improved contact in vacuum, (d) after potassium
doping.
I FET: il principio di funzionamento
20
R. Martel et al., Appl.Phys. Lett. 73, 2447 (1998).
I FET: il principio di funzionamento
21
S. J. Tans, A. R. M. Verschueren, C. Dekker: Nature 393, 49 (1998) 150, 151
I FET: il principio di funzionamento
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S. J. Tans, A. R. M. Verschueren, C. Dekker: Nature 393, 49 (1998) 150, 151
I FET: Il pinch-off e lo scattering
fononico
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Se il canale di conduzione è lungo
La densità di carica :
Q(x) = Cox(Vg-V(x)-Vt)
Con Cox capacità dell’ossido
Vt è il potenziale soglia
Vg potenziale di Gate
Il punto x0 in cui Q(x0)=0 è il punto di pinch-off
Se il canale di conduzione è più corto
Il campo elettrico che si genera tra gli elettrodi DS
aumenta e aumenta lo scattering fononico.
la corrente va comunque in saturazione ma prima
del pich-off
I ≈ (Vg-Vt)
La corrente va in saturazione
I ≈ (Vg-Vt)2
Il pinch-off e lo scattering fononico
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Per canali di conduzione ancora più corti
Non si forma il pinch-off point
Non c’è scattering fononico
Non c’è saturazione in piccoli canali
Diodo di Esaki: struttura
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Un diodo di Esaki è in sostanza una giunzione pn molto
dopata ed esibisce proprietà di NDR (negative
differential resistance).
Visto la possibilità di modulare
Le proprietà del canale con un
doping, si possono creare diodi di
Esaki anche con i NT.
C. Zhou et al. Science, 290, 1552 (2000).
Diodo di Esaki: principio di
funzionameno
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The p+n+ junction is conductive.
electrons can tunnel either from p+ to
n+ or from n+ to p+ because they can
find post-tunneling states
in either case. The junction nn+ is also
conductive because it is Ohmic.
Thus, it is critical that the experiment
uses the backgated structure to
manipulate the Fermi level of the NT
system. Without the backgate, the
resulting NT junction would be simply
nn+, which is nothing but an ohmic
junction and does not show the Esaki
behavior of negative
differential conductance.
C. Zhou et al. Science, 290, 1552 (2000).
Diodo di Esaki: principio di
funzionamento
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p+
n-
n-
p+
diffusione
C. Zhou et al. Science, 290, 1552 (2000).
Altri dispositivi
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Giunzioni di SWNT
Ne esistono di due tipi:

 Eterogiunzioni
 Omogiuzioni
Carbon nanotubes : science and applications / edited by M. Meyyappan. ISBN 0-8493-2111-5
Altri dispositivi
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
Applicazioni di memoria
Carbon nanotubes : science and applications / edited by M. Meyyappan. ISBN 0-8493-2111-5
Altri dispositivi
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
Giunzione SWNT-metallo
Carbon nanotubes : science and applications / edited by M. Meyyappan. ISBN 0-8493-2111-5