カーボンナノチューブの特異な一次元電子状態とその光学応答に関する研究

2000 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 12640310
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 市田 正夫 名古屋大学, 理工科学総合研究センター, 助手 (30260590)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 濱中 泰 名古屋大学, 理工科学総合研究センター, 助手 (20280703) ; 中村 新男 名古屋大学, 理工科学総合研究センター, 教授 (50159068)
• Keywords: カーボンナノチューブ / 一次元励起子 / 光学異方性

Research Abstract

本年度は、種々の平均直径をもつ単層カーボンナノチューブの薄膜試料の光学吸収スペクトルを測定し、単層カーボンナノチューブにおけるクーロン効果の直径依存性を調べた。また、ポリマー中に配向させた単層カーボンナノチューブ試料を作製し、光学スペクトルの異方性を調べた。主な結果は以下のとおりである。
1.三重大学斎藤弥八教授、東京都立大阿知波洋次教授らのグループにより合成された、種々の平均直径を持つ単層カーボンナノチューブを用いて、薄膜試料を作成して、その吸収スペクトルを測定した。単層カーボンナノチューブに起因する吸収帯が、試料の平均直径に依存して近赤外〜可視領域に観測され、平均直径の減少とともにそのピークエネルギーは高エネルギー側に観測された。
2.半導体的なバンド構造を持つナノチューブによる基礎吸収帯は、クーロン効果により、単純なバンド計算に比べて高エネルギー側に現れることを、我々はこれまでの研究で明らかにしているが、チューブの直径が小さいほど、この高エネルギーシフトが大きくなることがわかった。このことは、直径の小さなチューブほど、一次元性が高いことを示している。
3.高分子ポリマー(ポリスチレン)中に、単層カーボンナノチューブを分散させ、ポリマーごと伸張させることにより、配向したナノチューブ試料を作製した。偏光吸収スペクトルでは、伸長軸と光の電場が平行のときにはナノチューブによる吸収帯が現れるが、垂直の場合にはその遷移は押さえられることが分かった。これは、理論的な予測と一致している。
4.偏光吸収スペクトルの角度依存性の解析から、試料中でのナノチューブの配向分布を求めたところ、この試料では、56%のナノチューブが伸長軸に対して±15°の範囲に分布していることが分かった。
5.配向試料の偏光ラマンスペクトルを測定したところ、入射光の波長に依存した、ラマンスペクトルの偏光角度依存性が現れた。金属チューブと半導体チューブのバンド構造と共鳴条件を考慮した結果、これらのチューブで、共鳴ラマン散乱の角度依存性に違いがあることが分かった。

Research Products

• [Publications] M.Ichida et al.: "Coulomb effects on the fundamental optical transition in single-walled carbon nanotubes"Proceedings of International Conference on the Physics of Semiconductors. (in press). (2001)
• [Publications] M.Ichida et.al: "Optical Anisotropy of Aligned Single-Walled Carbon Nanotubes in Polymer"AIP Conference Proceedings. (in press). (2001)