[論文レビュー] Chemical functionalization on planar polysilane and graphane

Ning Lü, Zhenyu Li+1 more|ArXiv.org|Apr 29, 2009

Graphene research and applications参考文献 42被引用数 104

ひとこと要約

本研究では、密度汎関数理論（DFT）を用いて、平面状ポリシルアンおよびグラファーンの面上化学的修飾を、フルオリン、ヒドロキシル、アミノ基に焦点を当てて調査した。その結果、フルオリン化ポリシルアンは、フルオリンの分布に依存しない直接遷移帯ギャップを示すのに対し、フルオリン化グラファーンは、ほぼ自由電子（NFE）状態の影響を強く受けるため、配置依存性の強い電子的性質を示し、ゼロ次元および一次元のNFE状態を調整可能にしている。本研究は、表面修飾による電子構造工学の実現可能性と、その高い系依存性を示している。

ABSTRACT

Two dimensional materials are important for electronics applications. A natural way for electronic structure engineering on two dimensional systems is on-plane chemical functionalization. Based on density functional theory, we study the electronic structures of fluorine substituted planar polysilane and graphane. We find that carbon and silicon present very different surface chemistry. The indirect energy gap of planar polysilane turns to be direct upon fluorine decoration, and the gap width is mainly determined by fluorine coverage regardless of its distribution on the surface. However, electronic structure of fluorine doped graphane is very sensitive to the doping configuration, due to the competition between antibonding states and nearly-free-electron (NFE) states. With specific fluorine distribution pattern, zero-dimensional and one-dimensional NFE states can be obtained. We have also studied the chemical modification with -OH or -NH$_2$ group. Carbon seems to be too small to accommodate big functional groups on its graphane skeleton with a high concentration.

研究の動機と目的

• 2次元ポリシルアンおよびグラファーンの面上化学的修飾を体系的に行い、電子構造工学を実現すること。
• フルオリン、ヒドロキシル、アミノ基の被覆率および空間的分布が、これらの2次元材料の電子的性質に与える影響を理解すること。
• ほぼ自由電子（NFE）状態が、特にグラファーンにおいて帯ギャップ挙動を決定づける役割を果たすメカニズムを解明すること。
• シリコンおよび炭素を基盤とする2次元材料の表面化学および電子的応答を、修飾条件下で比較すること。
• 制御された表面修飾による、チューナブルな2次元電子デバイスの実験的実現の基盤を提供すること。

提案手法

• VASPパッケージを用いたDFT計算。PAW法とGGA-PW交差相互作用関数を採用。
• 幾何最適化には13×13×1 kポイントメッシュ、電子構造計算には27×27×1グリッドを用い、精度を確保。
• 機能化系のモデル化に2×2スーパーセルを用い、真空中間隔を15 Å以上に保ち、人工的相互作用を排除するための電気双極子補正を適用。
• バンド構造、電子密度分布、軌道性質（例：反結合性軌道、NFE状態）の分析により、電子的挙動を解釈。
• 被覆率（25%、50%、75%、100%）および配置（例：交互配置対クラスタ配置）の異なる条件を体系的に比較。
• 特にNH2基を有するグラファーンにおいて、伝導帯最小値（CBM）波動関数の空間的分布を用いてNFE状態を同定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フルオリン被覆率および分布は、平面状ポリシルアンの帯ギャップおよび電子構造にどのように影響するか？
• RQ2 なぜフルオリン化グラファーンの電子構造は、フルオリン化ポリシルアンよりもドーピング配置に強く依存するのか？
• RQ3 ヒドロキシルおよびアミノ基修飾は、ポリシルアンおよびグラファーンの格子定数および帯ギャップをどの程度変化させるか？
• RQ4 ほぼ自由電子（NFE）状態は、機能化されたグラファーンの電子的性質にどのように影響を与えるか？
• RQ5 特定の修飾パターンによって、2次元材料にゼロ次元または一次元のNFE状態を誘導できるか？

主な発見

• フルオリン化平面状ポリシルアンは、間接遷移から直接遷移帯ギャップに遷移し、ギャップ幅は主にフルオリン被覆率に依存し、配置には依存しない。
• 100% F被覆時、フルオリン化ポリシルアンの帯ギャップは0.78 eVであり、空間的配置に関わらず被覆率の増加に伴い減少する。
• フルオリン化グラファーンは、反結合性状態とNFE状態の競合のため、配置依存性が強く、調整可能なNFE状態を示す。
• グラファーンにおける特定のF分布は、ゼロ次元および一次元のNFE状態を生成でき、CBMは原子中心から離れた領域に拡散的性質を示す。
• 50%被覆時のヒドロキシルおよびアミノ基修飾グラファーンでは、NFE状態の電気双極子誘導低下により、100%被覆時と比較して帯ギャップが小さくなる。
• 100% NH2修飾グラファーンでは、伝導帯最小値が顕著なNFE的性質を示し、電子的チューニングの新たな経路を提供する。