[論文レビュー] Chemical scissors cut phosphorene nanostructures and their novel electronic properties

Xihong Peng, Qun Wei|arXiv (Cornell University)|May 5, 2014

2D Materials and ApplicationsMaterials Science参考文献 31被引用数 18

ひとこと要約

本研究では、水素、フッ素、塩素、ヒドロキシル基がリン酸化物と強い共有結合を形成することで、リンパラジオグラムを効果的に選択的に切断し、リンパラジオグラムナノリブやP鎖に変換する「化学的ハサミ」として機能することを示している。第一原理計算により、純粋なP鎖はフェルミ速度8×10⁵ m/sを示すディラック・コーンを示すのに対し、エッジ修飾されたザラツブナノリブは金属的または半導体的性質を自由に調整可能であり、ナノエレクトロニクス分野における新規応用が可能である。

ABSTRACT

Phosphorene, a recently fabricated two dimensional puckered honeycomb structure of phosphorus, showed promising properties for applications of nano-electronics. In this work, we report our findings of chemical scissors effects on phosphorene, using first principles density functional theory methods. It was found that several chemical species, such as H, F, Cl and OH group, can act effectively as scissors to cut phosphorene. Phosphorus chains and nanoribbons can be obtained using different surface coverage of the chemical species. The scissor effects of these species are resulted from their strong chemical bonds with the P atoms. Species such as O, S and Se were not able to cut phosphorene nanostructures due to their lack of strong binding with P. The electronic structure calculations of the produced P-chains reveal that the saturated chain is an insulator while the pristine chain demonstrates a Dirac point at X with a Fermi velocity of 8*10E5 m/s. The obtained zigzag phosphorene nanoribbons show either metallic or semiconducting behaviors, depending on the treatment of the edge P atoms.

研究の動機と目的

• 化学種を用いてリンパラジオグラムを低次元ナノ構造に正確に切断する可能性を検討すること。
• リンパラジオグラムに効果的に結合し、構造的切断を誘発する化学種を同定すること。
• 生成されたP鎖およびリンパラジオグラムナノリブの電子的性質を調査すること。
• エッジの修飾がザラツブリンパラジオグラムナノリブの電子的性質に与える影響を特定すること。

提案手法

• リンパラジオグラムとさまざまな化学種の相互作用をモデル化するために、第一原理的密度汎関数理論（DFT）計算を用いた。
• リンパラジオグラム表面へのH、F、Cl、OH、O、S、Seの表面被覆をシミュレートし、結合エネルギーと切断効率を評価した。
• 形成エネルギーと結合特性を分析して、どの化学種が効果的な「化学的ハサミ」として機能するかを特定した。
• 生成されたP鎖およびナノリブの電子構造計算を実施し、バンド分散とフェルミ速度を評価した。
• ザラツブリンパラジオグラムナノリブにおける純粋な状態と修飾済みエッジ原子の電子的性質を比較した。
• DFT法を用いてバンド構造を計算し、P鎖にディラック・コーンが存在するかを同定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どの化学種がリンパラジオグラムをナノ構造に切断する「化学的ハサミ」として効果的に機能するか？
• RQ2 化学種とリン酸化物原子との結合エネルギーが、切断能力にどのように影響するか？
• RQ3 化学修飾後のリンパラジオグラムナノリブおよびP鎖の電子的性質は何か？
• RQ4 エッジの修飾がザラツブリンパラジオグラムナノリブの電子的性質に与える影響は何か？
• RQ5 純粋なP鎖はディラック型の電子的分散を示すか？そのフェルミ速度は何か？

主な発見

• H、F、Cl、OH基はリン酸化物原子と強い共有結合を形成するため、リンパラジオグラムの制御された切断が可能であり、効果的な「化学的ハサミ」として機能する。
• O、S、Seはリン酸化物原子との結合エネルギーが弱いため、切断を誘発しない。
• 純粋なリン酸化物鎖はブリユアンゾーンのX点にディラック点を示し、フェルミ速度は8×10⁵ m/sである。
• 飽和P鎖はギャップレスのディラック・コーンが存在しないため、絶縁体的性質を示す。
• ザラツブリンパラジオグラムナノリブは、エッジリン酸化物原子の修飾状態に応じて金属的または半導体的性質を示す。
• 選択的化学修飾によって、ナノ構造の電子的性質を高度に調整可能であり、新規2次元エレクトロニクス材料の設計が可能となる。