[論文レビュー] C3N: a Two Dimensional Semiconductor Material with High stiffness,Superior Stability and Bending Poisson's Effect

Haidi Wang, Hong Wu+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 26, 2017

Graphene research and applications参考文献 48被引用数 28

ひとこと要約

本研究では、優れた機械的および電子的特性を示す二次元半導体C3Nの提案を行う。第一原理計算を用いて、C3Nが1090.0 GPaという超高剛性（縦弾性係数）、2000 Kまでの熱安定性、および特異な曲げポアソン効果（面外方向の曲げに伴い横方向に収縮する現象）を示すことが示された。これは、1.09 eVの適切な間接バンドギャップを有するため、高強度で柔軟なナノエレクトロニクス用途に極めて有望である。

ABSTRACT

Recently, a new type of two-dimensional layered material, i.e. C3N, has been fabricated by polymerization of 2,3-diaminophenazine and used to fabricate a field-effect transistor device with an on/off current ratio reaching 5.5E10 (Adv. Mater. 2017, 1605625). Here we have performed a comprehensive first-principles study mechanical and electronic properties of C3N and related derivatives. Ab inito molecular dynamics simulation shows that C3N monolayer can withstand high temperature up to 2000K. Besides high stability, C3N is predicted to be a superior stiff material with high Young's modulus (1090.0 GPa), which is comparable or even higher than that of graphene (1057.7 GPa). By roll-up C3N nanosheet into the corresponding nanotube, an out-of-plane bending deformation is also investigated. The calculation indicates C3N nanosheet possesses a fascinating bending Poisson's effect, namely, bending induced lateral contraction. Further investigation shows that most of the corresponding nanotubes also present high Young's modulus and semiconducting properties. In addition, the electronic properties of few-layer C3N nanosheet is also investigated. It is predicated that C3N monolayer is an indirect semiconductor (1.09 eV) with strongly polar covalent bonds, while the multi-layered C3N possesses metallic properties with AD-stacking. Due to high stability, suitable band gap and superior mechanical strength, the C3N nanosheet will be an ideal candidate in high-strength nano-electronic device applications.

研究の動機と目的

• C3N、新規に合成された二次元半導体材料の機械的および電子的特性を調査すること。
• 極端な条件下における熱安定性を評価すること。
• 特にポアソン効果に注目して、曲げ変形における機械的挙動を調査すること。
• 高強度で柔軟なナノエレクトロニクス素子への応用可能性を評価すること。
• 層積層状態（単層と数層）に応じた電子的性質の変化を検討すること。

提案手法

• C3Nの電子的および機械的特性を分析するために、第一原理密度汎関数理論（DFT）計算が用いられた。
• 高温での熱安定性を評価するために、ab initio分子動力学（AIMD）シミュレーションが実施された。
• 面外方向の機械的応答を調査するために、C3Nナノシートをナノチューブに巻き込むことで曲げ変形をモデル化した。
• 曲げ状態におけるポアソン比を計算し、横方向収縮の挙動を特定した。
• 積層構造（例：AD積層）を分析し、多層構造における半導体的性質から金属的性質への遷移を特定した。
• 電子的性質を特徴付けるために、バンド構造および状態密度が計算された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 C3N単層は極端な高温度下でどの程度の熱安定性を示すか？
• RQ2 C3Nの縦弾性係数はどの程度で、グラフェンと比較してどうか？
• RQ3 C3Nは曲げポアソン効果を示すか？その機械的起源は何か？
• RQ4 C3Nの電子的性質は、層数の増加に伴いどのように変化するか？
• RQ5 C3Nナノチューブは高い剛性と半導体的性質を維持できるか？

主な発見

• C3N単層は1090.0 GPaの縦弾性係数を示し、グラフェンの1057.7 GPaを上回る。
• ab initio分子動力学により、2000 Kまでの熱安定性が確認された。
• C3Nは特異な曲げポアソン効果を示す—面外方向の曲げに伴い横方向に収縮する。
• 単層C3Nは間接半導体であり、バンドギャップは1.09 eVである。
• AD積層をとる数層C3Nは金属的性質を示す。
• C3Nナノチューブは高い縦弾性係数と半導体的性質を維持しており、柔軟なナノエレクトロニクス用途に適していることが示された。