Applied Physics of Carbon Nanotubes

1 From Quantum Models to Novel Effects to New Applications: Theory of Nanotube Devices S.V. Rotkin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.1 Introduction: Classical vs. Quantum Modelling . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.2 Classical Terms: Weak Screening in 1D Systems. . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.2.1 Drift–Diffusion Equation and Quasi–equilibrium Charge Density . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.2.2 Linear Conductivity and Transconductance . . . . . . . . . . . . . 7 1.2.3 Numerical Results and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.3 Quantum Terms. I. Quantum Capacitance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.3.1 Statistical Approach to Calculating Self-Consistent Charge Density in SWNT in Vacuum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.3.2 Green’s Function Approach for Geometric Capacitance . . . 15 1.3.3 Results and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.4 Quantum Terms. II. Spontaneous Symmetry Breaking . . . . . . . . . . 18 1.4.1 Splitting of SWNT Subband Due to Interaction with the Substrate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.4.2 Charge Injection due to the Fermi Level Shift . . . . . . . . . . . 21 1.4.3 Dipole Polarization Correction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 1.5 Quantum Terms. III. Band Structure Engineering . . . . . . . . . . . . . . 25 1.5.1 Band Gap Opening and Closing in Uniform Fields . . . . . . . 26 1.6 Novel Device Concepts: Metallic Field–Effect Transistor (METFET) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 1.6.1 Symmetry and Selection Rules in Armchair Nanotubes . . . 30 1.6.2 Gap Opening and Switching OFF: Armchair SWNT . . . . . 32 1.6.3 Switching OFF Quasi–metallic Zigzag Nanotube . . . . . . . . 33 1.6.4 Modulation of Ballistic Conductance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 1.6.5 Results and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 XIV Contents 2 Symmetry Based Fundamentals of Carbon Nanotubes M. Damnjanovi´c, I. Milo،sevi´c, E. Dobard،zi´c, T. Vukovi´c, B. Nikoli´c . . 41 2.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.2 Configuration and Symmetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 2.2.1 Single-Wall Nanotubes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 2.2.2 Double-Wall Nanotubes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 2.3 Symmetry Based Band Calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 2.3.1 Modified Wigner Projectors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 2.3.2 Symmetry and Band Topology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 2.3.3 Quantum Numbers and Selection Rules . . . . . . . . . . . . . . . . 53 2.3.4 Electron Bands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 2.3.5 Force Constants Phonon Dispersions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 2.4 Optical Absorption. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 2.4.1 Conventional Nanotubes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 2.4.2 Template Grown Nanotubes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 2.5 Phonons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 2.5.1 Infinite SWNTs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 2.5.2 Commensurate Double-Wall Nanotubes . . . . . . . . . . . . . . . . 74 2.6 Symmetry Breaks Friction: Super-Slippery Walls . . . . . . . . . . . . . . . 80 2.6.1 Symmetry and Interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 2.6.2 Numerical Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 3 Elastic Continuum Models of Phonons in Carbon Nanotubes A. Raichura, M. Dutta, M.A. Stroscio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 3.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 3.2 Acoustic Modes in Single Wall Nanotubes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 3.2.1 Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 3.2.2 Dispersion Curves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 3.2.3 Deformation Potential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 3.3 Optical Modes in Multi-wall Nanotubes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 3.3.1 Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 3.3.2 Normalization of LO Phonon Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 3.3.3 Optical Deformation Potential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 3.4 Quantized Vibrational Modes in Hollow Spheres . . . . . . . . . . . . . . . 108 3.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 Contents XV Part II Synthesis and Characterization 4 Direct Growth of Single Walled Carbon Nanotubes on Flat Substrates for Nanoscale Electronic Applications Shaoming Huang, Jie Liu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 4.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 4.2 Diameter Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 4.3 Orientation Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 4.4 Growth of Superlong and Well-Aligned SWNTs on a Flat Surface by the “Fast-Heating” Process . . . . . . . . . . . . . . . 119 4.5 Growth Mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 4.6 Advantages of Long and Oriented Nanotubes for Device Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 4.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 5 Nano-Peapods Encapsulating Fullerenes Toshiya Okazaki, Hisanori Shinohara . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 5.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 5.2 High-Yield Synthesis of Nano-Peapods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 5.3 Packing Alignment of the Fullerenes Inside SWNTs . . . . . . . . . . . . 137 5.4 Electronic Structures of Nano-Peapods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 5.5 Transport Properties of Nano-Peapods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 5.6 Nano-Peapod as a Sample Cell at Nanometer Scale . . . . . . . . . . . . . 144 5.7 Peapod as a “Nano-Reactor” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 5.8 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 6 The Selective Chemistry of Single Walled Carbon Nanotubes M.S. Strano, M.L. Usrey, P.W. Barone, D.A. Heller, S. Baik. . . . . . . . . 151 6.1 Introduction: Advances in Carbon Nanotube Characterization . . . 151 6.2 Selective Covalent Chemistry of Single-Walled Carbon Nanotubes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 6.2.1 Motivation and Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 6.2.2 Review of Carbon Nanotube Covalent Chemistry . . . . . . . . 153 6.2.3 The Pyramidalization Angle Formalism for Carbon Nanotube Reactivity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 6.2.4 The Selective Covalent Chemistry of Single-Walled Carbon Nanotubes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 6.2.5 Spectroscopic Tools for Understanding Selective Covalent Chemistry . . . . . . . . . 160 6.3 Selective Non-covalent Chemistry: Charge Transfer . . . . . . . . . . . . . 164 6.3.1 Single-Walled Nanotubes and Charge Transfer . . . . . . . . . . 164 XVI Contents 6.3.2 Selective Protonation of Single-Walled Carbon Nanotubes in Solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 6.3.3 Selective Protonation of Single-Walled Carbon Nanotubes Suspended in DNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 6.4 Selective Non-covalent Chemistry: Solvatochromism . . . . . . . . . . . . 170 6.4.1 Introduction and Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 6.4.2 Fluorescence Intensity Changes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 6.4.3 Wavelength Shifts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 6.4.4 Changes to the Raman Spectrum. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 Part III Optical Spectroscopy 7 Fluorescence Spectroscopy of Single-Walled Carbon Nanotubes R.B. Weisman. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 7.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 7.2 Observation of Photoluminescence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 7.3 Deciphering the (n, m) Spectral Assignment . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 7.4 Implications of the Spectral Assignment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 7.5 Transition Line Shapes and Single-Nanotube Optical Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 7.6 Influence of Sample Preparation on Optical Spectra . . . . . . . . . . . . 194 7.7 Spectrofluorimetric Sample Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 7.8 Detection, Imaging, and Electroluminescence . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198 7.9 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 8 The Raman Response of Double Wall Carbon Nanotubes F. Simon, R. Pfeiffer, C. Kramberger, M. Holzweber, H. Kuzmany. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 8.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 8.2 Experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205 8.3 Results and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 8.3.1 Synthesis of Double-Wall Carbon Nanotubes . . . . . . . . . . . . 206 8.3.2 Energy Dispersive Raman Studies of DWCNTs . . . . . . . . . . 211 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 Contents XVII Part IV Transport and Electromechanical Applications 9 Carbon Nanotube Electronics and Optoelectronics Ph. Avouris, M. Radosavljevi´c, S.J. Wind . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 9.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 9.2 Electronic Structure and Electrical Properties of Carbon Nanotubes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228 9.3 Potential and Realized Advantages of Carbon Nanotubes in Electronics Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230 9.4 Fabrication and Performance of Carbon Nanotube Field-Effect Transistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 9.5 Carbon Nanotube Transistor Operation in Terms of a Schottky Barrier Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235 9.6 The Role of Nanotube Diameter and Gate Oxide Thickness . . . . . 237 9.7 Environmental Influences on the Performance of CNT-FETs . . . . . 239 9.8 Scaling of CNT-FETs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241 9.9 Prototype Carbon Nanotube Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242 9.10 Optoelectronic Properties of Carbon Nanotubes. . . . . . . . . . . . . . . . 244 9.11 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249 10 Carbon Nanotube–Biomolecule Interactions: Applications in Carbon Nanotube Separation and Biosensing A. Jagota, B.A. Diner, S. Boussaad, M. Zheng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253 10.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253 10.2 DNA-Assisted Dispersion and Separation of Carbon Nanotubes . . 254 10.3 Separation of Carbon Nanotubes Dispersed by Non-ionic Surfactant. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258 10.4 Structure and Electrostatics of the DNA/CNT Hybrid Material . . 262 10.4.1 Structure of the DNA/CNT Hybrid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262 10.4.2 Electrostatics of Elution of the DNA/CNT Hybrid . . . . . . . 264 10.5 Effects of Protein Adsorption on the Electronic Properties of Single Walled Carbon Nanotubes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270 11 Electrical and Mechanical Properties of Nanotubes Determined Using In-situ TEM Probes J. Cumings, A. Zettl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273 11.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273 11.1.1 Carbon and BN Nanotubes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273 11.1.2 TEM Nanomanipulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277 11.2 Studies of Carbon Nanotubes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278 11.2.1 Electrically-Induced Mechanical Failure of Multiwall Carbon Nanotubes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278 XVIII Contents 11.2.2 Peeling and Sharpening Multiwall Carbon Nanotubes . . . . 281 11.2.3 Telescoping Nanotubes: Linear Bearings and Variable Resistors . . . . . . . . . . . . . . . . . 283 11.3 Studies of Boron Nitride Nanotubes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299 11.4 Electron Field Emission from BN Nanotubes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300 11.5 Electrical Breakdown and Conduction of BN Nanotubes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303 12 Nanomanipulator Measurements of the Mechanics of Nanostructures and Nanocomposites F.T. Fisher, D.A. Dikin, X. Chen, R.S. Ruoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307 12.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307 12.2 Nanomanipulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309 12.2.1 Initial Nanomanipulator Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309 12.2.2 Recent Nanoscale Testing Stage Development . . . . . . . . . . . 311 12.3 Nanomanipulator-Based Mechanics Measurements . . . . . . . . . . . . . . 318 12.3.1 Tensile Loading of Nanostructures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318 12.3.2 Induced Vibrational Resonance Methods . . . . . . . . . . . . . . . 328 12.4 Summary and Future Directions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335 Color Plates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339 Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345