Steffi Blumentritt, Dissertation, Fachbereich Physik der Universität Hamburg, 1998 :
In dieser Arbeit wurde Transport an Bor-dotierten und undotierten mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhrchen (MWNTs) untersucht. Wir konnten zeigen, daß der Kontaktwiderstand, der bei 2-Punkt-Messungen eine große Rolle spielt, durch gezielte Probenpräparation reduziert werden kann, wenn die Elektroden durch Bestrahlung mit UV-Licht vor Anlagerung der Tubes gereinigt werden. Eine solche Reinigung reduziert den Kontaktwiderstand von ca. 1 M\Omega auf wenige 10kOmega. Durch gezielte Bestrahlung der Kontaktfläche von Tube und Elektrode mit dem Elektronenstrahl konnten wir ebenfalls eine Verringerung des 2-Punkt-Widerstandes auf wenige 10 k\Omega erzielen. Bei Raumtemperatur sind die Strom" /""Spannungskennlinien meistens linear. Bei tiefen Temperaturen beobachteten wir in der differentiellen Leitfähigkeit bei 2" Punkt"=Messungen die Ausbildung eines schmalen Minimums um VSD = 0 , daß durch den Tunnelkontakt zwischen Tube und Elektrode zustande kommt. Eine Verbreiterung dieses Minimums trat bei Proben auf, bei denen mehrere, seriell geschaltete Tubes zum Transport beitrugen. Wir konnten erstmals 4-Punkt-Messungen an Bor"=dotierten MWNTs durchführen, die bestätigten, daß die untersuchten Tubes metallisch sind, was mit den Ergebnissen der Rastertunnelspektroskopie von Carroll übereinstimmt [1]. Wir fanden eine Abhängigkeit der Abmessungen der Tubes vom Widerstand und berechneten den spezifischen Widerstand der Tubes mit ca. 10-6 \Omegam. Diese bestätigt Berechnungen von Charlier ( et al.) für Proben mit hoher struktureller Perfektion überein [2]. Außerdem konnten wir das elektrostatische Potential der Nanotubes erfolgreich durch eine Gate-Elektrode variieren, so daß wir erstmals auch an MWNTs Coulomb-Blockade und Einzelelektronentunneln beobachten konnten. Bei undotierten MWNTs stimmen die aus den Abmessungen der Tube berechneten mit den beobachteten Ladeenergien und der Aufspaltung der Energieniveaus überein. Wie schon bei einwandigen Kohlenstoffnanoröhrchen (SWNTs) [3], trägt das ganze Tubestück zwischen den Elektroden zum Transport bei. Bei Bor-dotierten MWNTs ist die Insel kleiner als es aus den Abmessungen der Tube zu erwarten wäre. Die Ursache dafür könnte ein Tube-Tube-Kontakt sein, der den Transport dominiert. Außerdem könnte auch die Bor-Dotierung die Inseln bilden soll [1] für die Verkleinerung des relevanten Tubestückes verantwortlich sein. [1] D. Carroll ( et al.), Phys. Rev. Lett. 81, 2332 (1998). [2] J.-C. Charlier und J.-P. Issi, Appl. Phys. A 67, 79 (1998). [3] M. Bockrath ( et al.), Science 275, 1922 (1997). S. Tans ( et al.), Nature 386, 474 (1997). A. Bezryadin ( et al.), Phys. Rev. Lett. 80, 4036 (1998). S. Tans ( et al.), Nature 394, 761 (1998). D. Cobden ( et al.), Phys. Rev. Lett. 81, 681 (1998). P. Avouris ( et al.), Applied Surface Science 141, 201 (1998).
In this thesis, we performed transport measurements on Boron-doped (B-doped) and undoped multi-walled nanotubes (MWNTs). We showed that in two-probe measurements the contact resistance RC plays an essential role (RC \approx 1 \Omega). In order to systematically study this resistance, we altered the sample preparation. We could reduce the contact resistance by cleaning the electrodes with UV-light prior to the nanotube assembly. We then measured contact resistances as low as a few 10 k\Omega. Similar contact resistances were found when we irradiated the contact area of the tubes with an electron beam. At room temperature, the conductivity is mostly linear, whereas when we lowered the temperature we observed non-linear behavior. Here we observed on all samples a minimum in conductivity at VSD = 0 due to the contact between the tube and the electrodes. The differential conductivity at VSD = 0 increased linearly with temperature T. The FWHM of the minimum at 4 K was approximately 10 mV and varied little with temperature. However a broadening of the minimum was found for samples where two nanotubes connected in series were involved in the transport. On samples where two nanotubes were involved in the transport process, we found that the conductivity minimum increased its width up to a few hundred mV. On those samples, the temperature dependence was also different, suggesting a more complex behavior of the transport mechanism due to a contact resistance between the two tubes. From this observation, we deduced that the minimum in the conductivity is an effect of the contacts between the tube and the electrode and has nothing to do with the nanotube itself. We verified this suggestion with four-probe measurements, where we did not find such a minimum in the conductivity. In order to study the intrinsic properties of B-doped MWNT, we performed four-probe measurements. We observed a linear dependence of current and voltage at different temperatures suggesting metallic behaviour of the tubes, which is in agreement with scanning tunneling experiments [1] performed on those tubes. at RT, 77 K and 4 K, with the derived resistance depending only weakly on the temperature. We also found a dependence of the resistance and the geometry of the nanotubes and calculated the resistivity \rho \approx 10-6 \Omega. This value is in agreement with the values suggested from Charlier and Issi for samples with high structural perfection [2]. From the weak temperature dependence of the four-probe resistance and its linear current-voltage-dependence, we conclude that the B-doped MWNTs are metallic, We also altered successfully the electrostatic potential of the B-doped and undoped MWNTs with a gate electrode. For the first time, we observed Coulomb blockade and single electron tunneling on MWNTs. For undoped MWNTs, the measurements suggest that the nanotube-island contributing to the transport is the part of the tube between the contacts, which was also observed for single-walles nanotubes (SWNTs) [3]. However for the B-doped MWNT, we found much higher charging energies, suggesting that a smaller part of the tube contributes to Coulomb blockade. We assume that this could be either the tube-tube contact of two tubes involved in this process or the island formation due to Boron doping which was suggested previously by Carroll ( et al.) [1]. However, we could not observe Coulomb blockade on every nanotube. We assume that the minimum in the conductivity due to contact resistance and its temperature dependence superimposes the Coulomb blockade signals, thus making the oberservation of Coulomb blockade not possible for those tubes. In future measurements, we would like to use wafers that do not freeze out at 4 K in order to couple the gate electrode slightly stronger to the sample. A stronger coupling should be also achieved using samples of Dr. E. Scheer, where an oxidized aluminium electrode which acts as a gate lies between two gold electrodes. Also the assembly of the nanotubes on the substrate has to be improved using e. g an AFM to move the nanotubes to the desired position on the electrode arrays. [1] D. Carroll ( et al.), Phys. Rev. Lett. 81, 2332 (1998). [2] J.-C. Charlier and J.-P. Issi, Appl. Phys. A 67, 79 (1998). [3] M. Bockrath ( et al.), Science 275, 1922 (1997). S. Tans ( et al.), Nature 386, 474 (1997). A. Bezryadin ( et al.), Phys. Rev. Lett. 80, 4036 (1998). S. Tans ( et al.), Nature 394, 761 (1998). D. Cobden ( et al.), Phys. Rev. Lett. 81, 681 (1998). P. Avouris ( et al.), Applied Surface Science 141, 201 (1998).