background image

Institute of Optics, University of 

Rochester

1

Carbon Nanotubes: 
theory and 
applications

Yijing Fu

1

, Qing Yu

2

1 Institute of Optics, University of 
Rochester
2 Department of ECE, University of 
Rochester

background image

Institute of Optics, University of 

Rochester

2

Outline

Definition

Theory and properties

Ultrafast optical spectroscopy

Applications

Future

background image

Institute of Optics, University of 

Rochester

3

Definition: 
Carbon Nanotube and Carbon 
fiber

The history of carbon fiber goes way 
back…

The history of carbon nanotube starts 
from 1991

background image

Institute of Optics, University of 

Rochester

4

Carbon nanotube

CNT: Rolling-up a graphene sheet to form a 

tube

 Schematic
 of a CNT

 STM image
 of CNT

background image

Institute of Optics, University of 

Rochester

5

Carbon nanotube

Properties depending on how it is rolled up.

 

a

1

, a

2

 are the graphene 

vectors.
 OB/AB’ overlaps after rolling 
up.
 OA is the rolling up vector.

 

2

1

ma

na

OA

background image

Institute of Optics, University of 

Rochester

6

Carbon nanotube properties: 
Electronic

Electronic band structure is determined by 

symmetry:

 n=m: Metal

 n-m=3j (j non-zero integer): Tiny band-gap  semiconductor

 Else: Large band-gap semiconductor.

Band-gap is determined by the diameter of the 

tube:

 For tiny band-gap tube: 

 For large band-gap tube: 

2

/

R

E

g

R

E

g

/

1

background image

Institute of Optics, University of 

Rochester

7

Carbon nanotube : band 
structure

 Band structure
 of 2D graphite

(7,7)

(7,0)

background image

Institute of Optics, University of 

Rochester

8

Carbon nanotube: Density of 
state

1D confined system DOS should give 
spikes

• 

Experimental results do show 

some         spikes

• Also there are some deviations,  
  further study is needed to 
explain this. 

background image

Institute of Optics, University of 

Rochester

9

Carbon nanotube properties: 
Mechanical

Carbon-carbon bonds are one of the strongest 
bond in nature

Carbon nanotube is composed of perfect 
arrangement of these bonds

Extremely high Young’s modulus

Material

Young’s modulus (GPa)

Steel

190-210 

SWNT

1,000+ 

Diamond

1,050-1,200 

background image

Institute of Optics, University of 

Rochester

10

Ultrafast Optical spectroscopy 
of CNT

Pump-probe experiment is used

Provides understanding of CNT linear 
and nonlinear optical properties

Time-domain measurement provides 
lifetime measurement

1-D confined exciton can be studied

background image

Institute of Optics, University of 

Rochester

11

Auger recombination of 
excitons

Theoretical results show strong bound excitons in 
semiconducting CNTs with binding energy up to 
1eV

Auger recombination : Nonradiative recombination 
of excitons 

Auger rates is enhanced in reduced dimension 
materials compared to bulk materials 

background image

Institute of Optics, University of 

Rochester

12

Experimental results 

Quantized auger recombination in quantum-confined system 

is shown here

Τ

, Τ

3

 ~ 4ps, very fast loss of exciton due to auger 

recombination. Therefore, optical performance of CNT is 

severely limited. 

background image

Institute of Optics, University of 

Rochester

13

Confined exciton effect: blue 
shift

Exciton energy levels are stable when 
bohr radius is smaller than the exciton-
exciton distance

At intense laser excitation, many-body 
effects renormalize the exciton energy 
levels

Due to fast auger recombination, 
exciton energy level shift is only 
observed in very short time scale

background image

Institute of Optics, University of 

Rochester

14

Confine exciton effect: 
experiment

At zero time-delay, the absorption spectrum 
for pumping wavelength of 1250nm and 
1323nm are shown as

    At low pumping level, this effect disappears. 

Thus many-body effect is proposed to explain 
this exciton blue-shift.

background image

Institute of Optics, University of 

Rochester

15

Applications

Electrical

1.

   Field emission in vacuum electronics

2.

   Building block for next generation of VLSI

3.

   Nano lithography

Energy storage

1.

   Lithium batteries

2.

   Hydrogen storage

Biological

1.

   Bio-sensors

2.

   Functional AFM tips

3.

   DNA sequencing

background image

Institute of Optics, University of 

Rochester

16

Biological applications: Bio-
sensing

Many spherical nano-particles have been 
fabricated for biological applications.

Nanotubes offer some advantages relative 
to nanoparticles by the following aspects:

1.

Larger inner volumes – can be filled with chemical or 
biological species.

2.

Open mouths of nanotubes make the inner surface 
accessible.

3.

Distinct inner and outer surface can be modified 
separately. 

background image

Institute of Optics, University of 

Rochester

17

Biological applications: AFM 
tips

Carbon nanotubes as AFM probe tips:

1.

Small diameter – maximum resolution

2.

Excellent chemical and mechanical robustness

3.

High aspect ratio

Resolution of ~ 12nm is achieved

background image

Institute of Optics, University of 

Rochester

18

Biological applications:
Functional AFM tips

Molecular-recognition AFM probe tips:

Certain bimolecular is attached to the CNT tip

This tip is used to study the chemical forces 
between molecules – Chemical force microscopy

background image

Institute of Optics, University of 

Rochester

19

Biological applications: DNA 
sequencing

Nanotube fits into 

the major grove of 

the DNA strand

Apply bias voltage 

across CNT, different 

DNA base-pairs give 

rise to different 

current signals

With multiple CNT, it 

is possible to do 

parallel fast DNA 

sequencing

 Top view and side view of the
 assembled CNT-DNA system

background image

Institute of Optics, University of 

Rochester

20

Challenges and future

Future applications:

1.

Already in product: CNT tipped AFM

2.

Big hit: CNT field effect transistors based nano 
electronics.

3.

Futuristic: CNT based OLED, artificial muscles…

Challenges

1.

Manufacture: Important parameters are hard to control.

2.

Large quantity fabrication process still missing.

3.

Manipulation of nanotubes.


Document Outline