磁性金属を内包した単層ナノチューブの単分子物性

2002 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 13304026
• Research Institution: Tokyo Metropolitan University
• Principal Investigator: 片浦 弘道 東京都立大学, 理学研究科, 助手 (30194757)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 塚越 一仁 理化学研究所, 半導体工学研究室, 研究員 (50322665) ; 兒玉 健 東京都立大学, 理学研究科, 助手 (20285092) ; 鈴木 信三 東京都立大学, 理学研究科, 助手 (10226516) ; 藤原 明比古 北陸先端科学技術大学院大学, 材料科学研究科, 助教授 (70272458) ; 吉岡 英生 奈良女子大学, 理学部, 助教授 (40252225)
• Keywords: カーボンナノチューブ / 内包ナノチューブ / 単分子物性 / ピーポッド / フラーレン / 電気伝導 / 磁気効果 / ラマン散乱

Research Abstract

1.単層カーボンナノチューブは、2次元のグラフェンを丸めた擬1次元構造をとるが、量子閉じこめ効果により、その電子構造は単純な1次元系と考えることができる。1次元金属においては、電子はフェルミ液体から朝永・ラッティンジャー液体へと変わることが理論的に示されており、特にナノチューブの場合には、長距離クーロン相互作用が支配的となることが予測されている。これまでは電気伝導などの間接的な測定しか行われていなかったが、今回我々は光電子分光スペクトルを測定することにより、カーボンナノチューブの伝導電子が朝永・ラッティンジャー液体状態であることを、直接観察することに成功した。室温、10K及び中間温度のすべてにおいて、フェルミレベル近傍の状態密度は結合エネルギーの「べき」依存性を示し、そのスロープは0.46であることが明らかとなった。これは理論的予想通り、長距離クーロン相互作用が支配的であることを示している。フェルミレベル上の状態密度も温度のべきで変化し、そのスロープも同じ0.46であることを確認した。スペクトル形状の変化も理論計算と非常に良い一致を示し、この結果から、理論計算で用いる積分のカットオフの値を実験的に求めることが可能になった。使用した試料は、高純度のバンドル試料であり、このような3次元的に凝集した試料においても1次元的性質が強く現れることは、驚くべき結果であると同時に、ナノチューブの電子状態の本質的特徴を捉えているとも考えることが出来る。
2.ナノチューブの電子物性に与える磁性元素の影響を調べるために、Gd@C82,Dy@C82,La@C82,等の金属内包フラーレンをナノチューブに高密度に充填することに成功した。充填率はまだC60等に及ばないものの、電子線回折、X線回折により、内部のフラーレン1次元結晶に秩序が現れることを見いだした。今後、充填率をさらに上げる予定である。また、金属塩化物を充填し、それを水素還元することにより金属内包ナノチューブを合成することに成功した。これは、各種金属に適応できる。今後この手法を確立し、高密度に金属を内包したナノチューブの合成を行う予定である。

Research Products

• [Publications] Y.Sakakibara, et al.: "Near-infrared Saturable Absorption of Single Wall Carbon Nanotubes Prepared by Laser Ablation Method"Jpn. J. Appl. Phys. (印刷中).
• [Publications] D.Nishide, et al.: "High-yield production of single-wall carbon nanotubes in nitrogen gas"Chem. Phys. Lett.. (印刷中).
• [Publications] H.Kuzmany, et al.: "Analysis of the concentration of C_<60> fullerenes in single wall carbon nanotubes"Appl. Phys. A. 76. 449-455 (2003)
• [Publications] Y.Maniwa, et al.: "C_<70> Molecular Stumbling Inside Single-Walled Carbon Nanotubes"J. Phys. Soc. Jpn.. 72. 45-48 (2003)
• [Publications] Y.Maniwa, et al.: "Phase Transition in Confined Water Inside Carbon Nanotubes"J. Phys. Soc. Jpn.. 71. 2863-2866 (2002)
• [Publications] N.Choi, et al.: "Effect of Amines on Single-Walled Carbon Nanotubes in Organic Solvents : Control of Bundle Structures"Jpn. J. Appl. Phys. 41. 6264-6266 (2002)
• [Publications] Y.Iwasa, et al.: "Intercalation Processes of Single-Walled Carbon Nanotube Ropes"New Diamond and Frontier Carbon Technology. 12. 325-330 (2002)
• [Publications] X.Liu, et al.: "Detailed analysis of the mean diameter and diameter distribution of single-wall carbon nanotubes from their optical response"Phys. Rev. B. 66. 045411-1-045411-8 (2002)
• [Publications] M.Ichida, et al.: "Ultrafast relaxation dynamics of photoexcited states in semiconducting single-walled carbon nanotubes"Physica B. 323. 237-238 (2002)
• [Publications] X.Zhao, et al.: "Characteristic Raman spectra of multiwalled carbon nanotubes"Physica B. 323. 265-266 (2002)
• [Publications] K.Ichimura, et al.: "Tunneling spectroscopy on carbon nanotubes using STM"Physica B. 323. 230-232 (2002)
• [Publications] S.Masubuchi, et al.: "Thermoelectric power of single walled carbon nanotubes containing alcohol molecules"Physica B. 323. 267-268 (2002)
• [Publications] A.Fujiwara, et al.: "Local electronic transport through a junction of SWNT bundles"Physica B. 323. 227-229 (2002)
• [Publications] X.Zhao, et al.: "Multiple splitting of G-band modes from individual multiwalled carbon nanotubes"Appl. Phys. Lett.. 81. 2550-2552 (2002)
• [Publications] M.Ichida, et al.: "Coulomb effects on the fundamental optical transition in semiconducting single-walled carbon nanotubes : Divergent behavior in the small-diameter limit"Phys.Rev.B. 65. 241407-1-241407-4 (2002)
• [Publications] X.Zhao, et al.: "Radial breathing modes of multiwalled carbon nanotubes"Chem. Phys. Lett. 361. 169-174 (2002)
• [Publications] L.Kavan, et al.: "In-situ Vis-NIR and Raman Spectroelectrochemistry at Fullerene Peapods"Chem. Phys. Lett. 361. 79-85 (2002)
• [Publications] M.Shiraishi, et al.: "Hydrogen storage in single-walled carbon nanotube bundles and peapods"Chem. Phys. Lett. 358. 213-218 (2002)
• [Publications] R.Preiffer, et al.: "Spectroscopic analysis of single-wall carbon nanotubes and carbon nanotube peapods"Diamond and Related Materials. 11. 957-960 (2002)
• [Publications] A.Fujiwara, et al.: "Local current density detection of individual single-wall carbon nanotube in a bundle"Appl. Phys. Lett.. 80. 1993-1995 (2002)
• [Publications] H.Kataura, et al.: "Optical Properties of Fullerene and Non-fullerene peapods"Appl. Phys. A. 74. 349-354 (2002)
• [Publications] S.Suzuki, et al.: "Single-Walled Carbon Nanotube Formation with Double Laser Vaporization Technique"Eur Phys. J. D. (印刷中). (2003)
• [Publications] K.Tsukagoshi, et al.: "Carbon nanotube devices for nanoelectronics"Physica B. 323. 107-114 (2002)
• [Publications] A.Kanda, et al.: "Magnetic field dependence of Coulomb Oscillations in metal/multi-wall carbon nanotube/metal structure"Physica B. 323. 246-248 (2002)
• [Publications] 塚越一仁, 青柳克信: "多層カーボンナノチューブの伝導特性の基礎"応用物理. 72巻3号(印刷中). (2003)
• [Publications] 塚越一仁: "ナノエレクトロニクスのためのカーボンナノチューブ"物性研究. (印刷中). (2003)
• [Publications] N.Yoneya, et al.: "Charge transfer control by gate voltage in crossed nanotube junction"Appl. Phys. Lett.. 81. 2250-2252 (2002)
• [Publications] H.Yoshioka: "NMR relaxation rate in metallic carbon nanotubes"J. Phys. Chem. Solids. 63. 1281-1284 (2002)
• [Publications] H.Yoshioka, et al.: "Commensurate-incommensurate transition in a one-dimensional dimerized electron system close to quarter-filling"Synthetic Metals. (印刷中).
• [Publications] H.Yoshioka: "Magnetic Fluctuations in a Charge Ordered State of the One-Dimensional Extended Hubbard Model with a Half-Filled Band"J. Phys. Soc. Jpn.. 71. 1812-1815 (2002)
• [Publications] H.Yoshioka, Y.Okamura: "Tomonaga-Luttinger-Liquid Theory of Metallic Carbon Nanotubes with Open Boundaries"J. Phys. Soc. Jpn.. 71. 2512-2519 (2002)
• [Publications] H.Yoshioka, Y.Hashizume: "Excitations in the charge ordered state of one-dimensional extended Hubbard model at half-filling"Synthetic Metals. (印刷中). (2003)
• [Publications] H.Yoshioka: "Tomonaga-Luttinger-liquid behavior in conducting carbon nanotubes with open ends"Physica E. (印刷中). (2003)
• [Publications] Y.Maniwa, et al.: "Novel Structures of C_<60> and C_<70>-Encapsulating Carbon Nanotubes"SPring-8 Research Frontiers. 2000/2001. 34-35 (2002)
• [Publications] Y.Matsuoka, et al.: "Temperature Dependence of Photoconductivity at 0.7eV in Single-wall Carbon Nanotube Films"Sci. and Technol. Adv. Mater. 4(印刷中). (2003)
• [Publications] H.Kataura, et al.: "Fullerene Peapods and Double Wall Nanotubes : Structures and Optical Properties"AIP conference Proceeding. 633. 103-107 (2002)
• [Publications] R.Pfeiffer, et al.: "Concentration of C_<60> Molecules in SWCNT"AIP conference Proceeding. 633. 108-112 (2002)
• [Publications] T.Pichler: "Charge Transfer in Intercalated C60 Peapods"AIP conference Proceeding. 633. 118-122 (2002)
• [Publications] L.Kavan, et al.: "In-situ Raman Spectroelectrochemistry on Fullerence Peapods"AIP conference Proceeding. 633. 123-126 (2002)
• [Publications] A.Fujiwara, et al.: "Photoconductivity and Local Transport Properties of Single-Wall Carbon Nanotubes"AIP conference Proceeding. 633. 247-250 (2002)
• [Publications] X.Liu, et al.: "Electronic Structure of Intercalated Single-Wall Carbon Nanotubes"AIP conference Proceeding. 633. 267-270 (2002)
• [Publications] 片浦弘道: "カーボンナノチューブとフラーレン内包〜生成機構,基礎物性,光学特性から応用まで〜"物性研究. 77巻4号. 739-746 (2002)
• [Publications] 塚越一仁: "ナノテクノロジーハンドブックIII編ITへ使う、5章将来デバイス、5.4節"カーボンナノチューブ素子″"オーム社(印刷中). (2003)
• [Publications] 片浦弘道: "「カーボンナノテクノロジーの基礎と応用」,第2章、2.2「フラーレン入りナノチューブの生成」"(株)サイペック. 12 (2002)