[論文レビュー] Edge Effects on the Electronic Structures of Chemically Modified Armchair Graphene Nanoribbons

Hao Ren, Qunxiang Li+4 more|ArXiv.org|Nov 12, 2007

Graphene research and applications被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、第一原理計算を用いて、窒素で終末化されたアームチェア状グラフェンナノリボン（AGNRs）が、幅にかかわらず特異な電子的特徴を示すN–N結合のため、金属的であることが示された。一方、H、F、NH₂、NO₂で終末化されたAGNRsは半導体的性質を維持する。金属的転移は、N 2p_zおよび2p_x軌道の寄与がフェルミ準位を crosses することに起因し、グラフェンベースのナノエレクトロニクスにおけるチューナブルな電子的性質の実現が可能である。

ABSTRACT

In this paper, we apply the first-principle theory to explore how the electronic structures of armchair graphene nanoribbons (AGNRs) are affected by chemical modifications. The edge addends include H, F, N, NH$_{2}$, and NO$_{2}$. Our theoretical results show that the energy gaps are highly tunable by controlling the widths of AGNRs and addends. The most interesting finding is that N-passivated AGNRs with various widths are metallic due to the unique electronic features of N-N bonds. This property change of AGNRs (from semiconducting to metallic) is important in developing graphene-based devices.

研究の動機と目的

• エッジの化学的修飾がアームチェア状グラフェンナノリボン（AGNRs）の電子的構造に与える影響を調査すること。
• H、F、N、NH₂、NO₂といった異なるエッジ官能基が、AGNRsのバンドギャップを半導体的から金属的へとチューニングできるかどうかを特定すること。
• 窒素で終末化されたAGNRsにおける半導体-金属転移の微視的起源を理解すること。
• グラフェンベースの分子エレクトロニクス素子を、所望の電子的性質を持つように設計する理論的基盤を提供すること。

提案手法

• 局所密度近似（LDA）と予測的拡張波（PAW）法を用いた密度汎関数理論（DFT）を採用。
• 400 eVのエネルギーカットオフを設定し、力とエネルギーの収束基準をそれぞれ0.02 eV/Åおよび2×10⁻⁵ eVに設定。
• 一次元周期的境界条件を適用し、15個のkポイントとΓ点サンプリングを実施。
• AGNRシート間には12 Åの真空層、エッジには15 Åの真空層を設け、全原子座標を完全に最適化。
• バンド構造および状態密度（DOS）を計算し、エッジ原子への投影状態密度も含めた。
• 2s、2p_x、2p_y、2p_z軌道の寄与を分析し、Nで終末化された系における金属的性質の起源を特定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 H、F、N、NH₂、NO₂といった異なるエッジ官能基が、アームチェア状グラフェンナノリボンのバンドギャップにどのように影響を与えるか？
• RQ2 窒素で終末化することで、リボン幅に依存せずに半導体-金属転移が誘発されるか？
• RQ3 Nで終末化されたAGNRsにおける金属的性質の電子的起源は何か？
• RQ4 N–N結合および非共有電子対が、Nで終末化されたAGNRsにおけるフェルミ準位の通過にどのように寄与するか？
• RQ5 エッジ終末化は、AGNRsの有効幅およびsp²ネットワークにどの程度の影響を及ぼすか？

主な発見

• Nで終末化されたAGNRsは、幅（W=18, 19, 20）にかかわらず金属的であるが、H-、F-、NH₂-、NO₂-終末化されたAGNRsは半導体的である。
• N–N結合長は1.30 Åであり、N₂と比較して0.20 Å長い。主に2sおよび2p_y軌道から構成される。
• N 2p_z軌道はフェルミ準位の上に位置し、炭素のπ*バンドを埋めることでフェルミ準位が伝導帯にシフトする。
• N 2p_x軌道の非共有電子対が金属的状態に寄与しており、2p_xバンドの上部がフェルミ準位を crosses している。
• Nで終末化されたAGNRsのバンド構造は、幅W+2のHまたはFで終末化されたAGNRsに類似しているが、フェルミ準位が上向きにシフトすることで金属的になる。
• N終末化の生成エネルギーは有利であり、実験的実現可能性が示唆される。