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发信人: heat (heat@给你的热量), 信区: NanoST
标  题: 多层碳纳米管物性的研究 
发信站: 哈工大紫丁香 (2004年01月19日19:09:43 星期一), 站内信件

http://www.iphy.ac.cn/chinese/kjdt/20030815.htm

多层碳纳米管物性的研究
      作为一种在电学、力学、和热学等方面具有潜在优异性能的纳米材料，碳纳米管
的发现在一定程度上激发了人们对纳米科学和技术的研究热情。物理所吕力研究员小组
和解思深研究员小组自从98年起对化学气相沉积法生长的多层碳纳米管的热学、力学和
电学性质展开了合作研究，取得了下面的一些进展。
        碳纳米管力学上到底有多强？这一直是人们所关注的一个问题。解思深和吕力
小组首次用拉伸法直接测量了多层碳纳米管的力学性质，发现其扬氏模量为0.3-0.6 TP
a, 约为钢的10倍，抗拉强度约为3-6 Gpa [Appl. Phys. Lett. 74, 3152 (1999)]。
碳纳米管的热学性能也是非常重要的物性，热导的好坏是制约将来纳米器件集成度的因
素之一。吕力小组和解思深小组首次给出了多层碳纳米管的热导和比热的温度依赖关系
，发现热导在120 K以下随温度成平方关系，120 K以上趋于线性，而其比热在整个测量
温区表现出很好的线性，表明多层纳米管层与层之间的振动耦合很弱，就热学性质而言
每一层可以单独考虑，并具有理想的二维声子结构[Phys. Rev. B 59, R9015 (1999)]。

关于单层碳纳米管中的电子态，目前比较一致的物理图象是其电子构成Luttinger液体。
然而对于多层碳纳米管中的电子态，实验上似乎存在着矛盾的地方。电输运测量揭示出
其满足费米液体框架下的弱局域化行为，但隧道态密度却又显示出非费米液体的特征。
吕力小组和解思深小组通过研究多层碳纳米管的磁阻行为和磁场下的I-V曲线行为，发现
一方面其电导的主体呈现出电子强关联的特性，另一方面磁场导致的电导变化部分确实
基本符合常规费米液体图象框架下的弱局域化理论，并且随磁场和温度的变化也符合这
一理论框架下的标度律。他们进而发现，磁场导致的弱局域化倾向与电子强关联效应基
本上是互为独立的两个因素，同时影响着多层碳纳米管中电子的输运过程。从而形成了
关于多层碳纳米管中电子态的自洽图象[Phys. Rev. B 66, 241403 (R), 2002]。
      热电势在一定程度上可以理解成一个载流子所携带的熵。如果一个体系具有奇异
的电子基态，则就有可能从其低温下的热电势行为上反映出来。以往关于碳纳米管热电
势的测量精度不足以分辨低温下可能具有的细致结构。吕力小组和解思深小组基于一种
高灵敏的交流热电势测量方法，发现多层碳纳米管的热电势在低温下呈现出非常干净、
严格的对数温度依赖关系。这种严格的对数关系是全新的，从没在其它任何体系中观察
到过，理论上也没被预言过。初步的分析认为，电子强关联导致的库仑阻塞效应可能是
产生这种对数热电势的原因[Phys. Rev. B 67, 033403 (2003)]。
      包含一个量子点的介观双隧道结中的库仑阻塞问题是比较容易理解的。当隧道电
阻大于量子电阻时，库仑阻塞是阻碍电荷传导的主要物理机制。随着隧道电阻的减小和
两边电极之间耦合的加强，这样一个系统会逐渐从库仑阻塞区过度到Kondo共振区和Fan
o共振区。那么单隧道结中是否也会出现库仑阻塞等现象？答案并不是很直观的。实际上
，当单隧道结某一边的环境阻抗大于量子电阻时，也会出现库仑阻塞现象。吕力小组和
解思深小组在极低温条件下研究了金属电极与多层碳纳米管构成的单隧道结的物性，确
实观察到了非常典型的库仑能隙结构。并且发现，由于在库仑能隙以内电荷的输运受到
压制，电荷在碳纳米管中是通过等离子激元的形式传播的，符合环境量子涨落理论的预
言。这种金属与多层碳纳米管单隧道结的电导在低温下还表现出了Kondo型的温度依赖关
系，并且其低偏压下的隧道谱由于Fano共振的出现而呈现出非对称的结构[Phys. Rev. 
Lett. 91, 076801 (2003)]。
上述工作得到了国家自然科学基金委、科技部973项目、和科学院知识创新工程项目的资
助。
相关内容：
Tunneling into Multiwalled Carbon Nanotubes：Coulomb Blockade and the Fano R
esona

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   认识我的人都说我有"cai 气",
   可惜不是这个"财",也不是这个"才",
   是材料的"材"!
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