ナノエレクトロニクスのためのカーボンナノチューブ(第47回物性若手夏の学校(2002年度),講義ノート)

Abstract

1991年のカーボンナノチューブの発見以来、電子状態や光学的性質および応用研究が注目されている。このカーボンナノチューブは炭素を主原料にした材料であり、ナノメートルサイズの細線に自己成長的に生成する。そのうえ、良好な電気的特性を有し、単位断面積あたり銅線よりも大きな電流を伝送可能であることも我々の実験において見出している。これはカーボンナノューブの円筒形状が電子散乱を軽減し発熱を少なくすることによると考えられる。さらに独特の結晶構造によって熱伝導性が高くダイヤモンドと同等である事も高密度電流印加に重要な要素である。このためにナノチューブを電子素子材料に適応した場合、低消費電力および高効率電力利用素子を実現できる可能性を秘める。同様にC60のようなフラーレンや有機合成で生成できる高分子を単位ナノサイズ-ブロック材料として用いて、これらを組み合わせて機能素子を作製することによって従来の微細加工工程の延長によって作製可能な極微細機能電子素子を超えた機能およびサイズを比較的容易に実現できると考えている。このような未来電子素子の主要材料の一つのナノチューブの基礎特性解明を目的として電気伝導を研究している。このナノチューブ内では抵抗に寄与する後方散乱が抑制され電気抵抗がほぼ0になることが予想されている。これに加えて我々の実験によって多層カーボンナノチューブではスピン散乱が小さくスピンコヒーレント長が200nmを超えることを明らかにした。この結果は、ナノチューブが理想的な1次元伝導体でありカーボンだけで構成されている為にスピン軌道相互作用に大きくかかわる原子を含有していないことによって理解される。さらに、ナノチューブの直径がCo電極を形成する微小ドメインより小さいことから、微小ドメイン間の電気伝導の研究にも発展することを示した。これらの結果を基にしてカーボンナノチューブにおけるスピン伝導を外部からの入力によって制御する事を目指し、上記スピン注入機構の明確化およびカーボンナノチューブ電気伝導自体の制御の試みを現在行っている。本研究紹介では、上記ナノチューブの素子応用の可能性をナノチューブの電気伝導特性から考えていくために、「ナノエレクトロニクスのためのカーボンナノチューブ」と題して行われた2002年物性若手夏の学校講義テキストとしてまとめられたものであり、理化学研究所・筑波大学・産業総合研究所・米国ルイスビル大学との間で行われた共同研究の最近の成果を基にまとめた。