奈米碳管之自旋注入及自旋傳輸相關之研究

Spin-injection and -related transport phenomena in carbon nanotubes

林展暘(Lin, Chan Yang)

指導教授 ： 邱博文

國立清華大學/電機資訊學院/電子工程研究所/碩士(2007年)

https://doi.org/10.6843/NTHU.2007.00575

摘要

西元1957 年, 諾貝爾物理獎頒給電晶體發明者, Shockley、Bardeen 和Brattain, 同時也
宣告電晶體時代的來臨, 比起真空管, 電晶體擁有許多優點, 如: 體積小、損耗功率低等。
次微米級電晶體至今已經風光了半個世紀, 目前許多科學家正積極的研發體積更小, 靈敏
度更高的奈米級電晶體。其中利用奈米碳管作為源極和汲極間的通道的奈米碳管電晶體,
已經有一個初步的結果[1]。一般的電晶體都是利用閘極來控制電子是否通過源極和汲極
間的通道, 在此和以往不同, 我們將利用電子自旋的特性來製成自旋電子元件, 由電子自
旋方向來決定, 電子是否通過碳管所製成的通道。
在第一章中, 我們將簡介奈米碳管, 包括生成方式、晶格結構、電子能帶結構、電性,
在此有許多資料提供了對奈米碳管更詳盡的描述[2, 3]。
第二章將論述在奈米碳管中電子自旋傳輸現象。以往利用鐵磁性物質將自旋電子注入
至半導體中[4], 最大的困難就是鐵磁性物質和半導體間的導值不批配問題, 我們將利用單
自旋金屬(half-metal), Chromium dioxide (CrO2), 來解決這個問題, CrO2 是一新穎
的單自旋金屬材料[5, 6], 其擁有接近100% 的電子自旋極化率。另一個問題, 自旋電子
在一般散射性傳輸的物質中易受到散射, 因此, 我們利用金屬性奈米碳管的彈道傳輸特性
(ballistic transport) 作為一個極佳的自旋電子傳輸通道。
在第三章中, 我們敘述自旋元件的製程方法, 首先利用化學氣相沈積法成長CrO2 薄
膜, 用拋光技術將薄膜表面平坦化, 之後在薄膜之上利用光學微影製程製作出外圍電極和
定位碳管位置的記號; 在奈米碳管方面, 利用超音波震盪的方式, 將雷射法生成且糾纏在
一起的奈米碳管分散且懸浮於溶液中, 再將奈米碳管沈積到薄膜上面, 最後在原子力顯微
鏡的幫助下, 尋找且選定特定的碳管, 然後使用電子束微影技術和蝕刻技術製作出單自旋
金屬電極, 即完成元件的製作。
第四章將論述我們實驗室自己成長的單自旋金屬- CrO2, 在電子顯微鏡下和X-ray繞射、磁性、電性傳輸特性上的分析結果。

關鍵字

奈米碳管 ； 自旋傳輸 ； 二氧化鉻 ； 自旋電子學

並列摘要

無資料

並列關鍵字

Carbon nanotube ； spin transport ； CrO2 ； spintronics

參考文獻

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[2] T. Ando, H. Matsumura, and T. Nakanishi, “Theory of ballistic transport in carbon nanotubes,” Physica B, vol. 323, p. 44, 2002.

[3] P. L. McEuen, “Single-wall carbon nanotubes,” Phys. World, vol. 13, p. 31, 2000.

[4] R. Fiederling, M. Keim, and G. Reuscher, “Injection and detection of a spinpolarized current in a light-emitting diode,” Nature, vol. 402, p. 787, 1999.

[5] A. Anguelouch, A. Gupta, and G. Xiao, “Near-complete spin polarization in atomically-smooth chromium-dioxide epitaxial films prepared using a CVD liquid