石英単結晶上での半導体単層カーボンナノチューブの選択的配向

First observation of selective alignment of semiconducting single-walled carbon nanotubes on quartz single crystal surfaces

下山 巖   ; Li, X.*; 嶋田 行志*

Shimoyama, Iwao; Li, X.*; Shimada, Takashi*

単層カーボンナノチューブ(SWNTs)の応用に対し、配向制御は極めて重要な課題である。近年、化学気相蒸着法(CVD)により成長したSWNTsが単結晶表面のステップ列や一次元原子配列に沿って配向することが報告された。この方法はSWNTsの大規模配列を実現する方法として興味深いが、その配向メカニズムは十分明らかになってはいない。われわれは配向メカニズムを調べるため、CVD法を用いて石英単結晶上にSWNTsを合成し、ラマンスペクトルの偏光依存性を測定した。ナノチューブのGバンドには、高周波数側のGバンドと低周波数側のGバンドが観測された。両者の偏光依存性は定性的に似た傾向を示したものの、GバンドはGバンドよりも大きい偏光依存性を示すことが明らかにされた。偏光条件の違いによるGバンドのスペクトル形状変化はこの偏光依存性の違いを説明できず、異なる振動モードの偏光依存性の違いがこの現象の主要因ではないことを表している。われわれはストークスとアンチストークスラマンスペクトルの比較,合成条件の異なる試料の比較,共鳴励起条件の異なるスペクトルの比較を行い、観測されたGバンドとGバンドの偏光依存性の違いが半導体SWNTsと金属SWNTsの配向の違いに起因すると結論した。この結果は半導体SWNTsの選択的配向が石英単結晶表面上で生じている可能性を示唆している。

Alignment of single-walled carbon nanotubes (SWNTs) is significantly important for many applications of SWNTs. Recently, it was reported that SWNTs grown by chemical vapor deposition (CVD) align along step arrays or one-dimensional atomic arrangements on some single crystal surfaces. This method is interesting to achieve large-scale alignment of SWNTs, however, the detail of the alignment mechanism has not been clarified, yet. In order to investigate the alignment mechanism, we utilized polarization dependent Raman spectroscopy for SWNTs grown on quartz single crystal surfaces by CVD. G-band of our sample showed high-frequency G-band and low-frequency G-band. Though both bands exhibited qualitatively same polarization dependence, the magnitude of polarization dependence of G-band was larger than that of G-band. Spectral change for different polarization configurations clarified that vibration modes were not main reason of our result. Comparing Stokes and anti-Stokes spectra, results obtained from samples with different growth conditions, and spectra measured by different resonant excitation conditions, we concluded that different magnitude of polarization dependence between G-band and G-band originated from different orientations between semiconducting SWNTs and metallic SWNTs. This result indicates selective alignment of semiconducting SWNTs on quartz single crystal surfaces.