[論文レビュー] Edge state effects in graphene molecular junctions

Dmitry A. Ryndyk, Jan Bundesmann+2 more|arXiv (Cornell University)|May 14, 2012

Molecular Junctions and Nanostructures被引用数 2

ひとこと要約

本研究は、アームチェア型またはジグザグ型エッジを有する単層グラフェン電極を備えたグラフェン分子ジャンクションにおける電子輸送を調査する。エッジグリーン関数とリード自己エネルギーの計算を通じて、2つの主要な効果を明らかにした。1つは、グラフェンの線形状態密度に起因するエネルギー依存性のレベル幅拡大であり、もう1つは、特にジグザグ型エッジで顕著に現れるエッジ状態に起因する分子準位のシフト／分裂である。これらは有限バイアスおよびゲート電圧下で特徴的な伝導度特性を引き起こす。

ABSTRACT

We consider plane junctions with graphene electrodes, which are formed by a single-level system (molecule) placed between the edges of two single-layer graphene half planes. We calculate the edge Green functions of the electrodes and the corresponding lead self-energies for the molecular levels in the cases of semi-infinite single-layer electrodes with armchair and zigzag edges. We show two main effects: first, a peculiar energy-dependent level broadening, reflecting at low energies the linear energy dependence of the bulk density of states in graphene, and, second, the shift and splitting of the molecular level energy, especially pronounced in the case of the zigzag edges due to the influence of the edge states. These effects give rise to peculiar conductance features at finite bias and gate voltages.

研究の動機と目的

• グラフェン電極のエッジ状態が分子ジャンクションにおける電子輸送に与える影響を理解すること。
• アームチェア型およびジグザグ型エッジを有する単層グラフェン電極を有する分子ジャンクションの電子構造をモデル化すること。
• 有限バイアスおよびゲート電圧下におけるエッジ状態が分子準位の幅拡大およびエネルギーシフトに与える影響を分析すること。
• グラフェンベースの分子デバイスにおけるエッジ状態効果に起因する特徴的な伝導度シグネチャを同定すること。

提案手法

• アームチェア型およびジグザグ型エッジを有する無限に広がる単層グラフェン電極のエッジグリーン関数の計算。
• 再帰的グリーン関数法を用いて、分子準位とグラフェン電極が結合する場合のリード自己エネルギーの導出。
• グラフェンのバルク状態密度の線形エネルギー依存性を、レベル幅拡大メカニズムに組み込む。
• 特にジグザグ型エッジ構成で顕著に現れるエッジ状態に起因する分子準位のシフトおよび分裂の分析。
• 有限バイアスおよびゲート電圧下での伝導度特性を計算するために、非平衡グリーン関数形式の使用。
• アームチェア型とジグザグ型エッジ電極の輸送挙動を比較し、エッジ状態の寄与を分離すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ジグザグ型グラフェン電極のエッジ状態は、ジャンクション内の分子準位のエネルギー準位幅拡大にどのように影響するか？
• RQ2 グラフェンのエッジ状態における線形状態密度が、分子ジャンクションの伝導度に果たす役割は何か？
• RQ3 エッジ状態はどのようにして分子エネルギー準位のシフトおよび分裂を引き起こすのか、特にジグザグ型エッジ構成において。
• RQ4 エッジ状態効果に起因して、有限バイアスおよびゲート電圧下でどのような特徴的な伝導度特性が現れるか？
• RQ5 アームチェア型とジグザグ型エッジ幾何学的配置は、分子準位の結合および輸送特性にどのように異なる影響を及ぼすか？

主な発見

• ジグザグ型グラフェン電極のエッジ状態は、低エネルギー領域で特に顕著に、分子エネルギー準位に顕著なシフトおよび分裂を引き起こす。
• レベル幅拡大は、グラフェンのバルクバンド構造の線形状態密度を反映する特異なエネルギー依存性を示す。
• 有限バイアスおよびゲート電圧下での伝導度特性は、特にジグザグ型エッジジャンクションにおいてエッジ状態の寄与によって強く影響を受ける。
• ゼロエネルギーのエッジ状態が存在するため、ジグザグ型エッジ系では効果が顕著に現れ、分子準位と強く結合する。
• アームチェア型エッジ系では準位のシフトおよび分裂が顕著でないため、中間ギャップのエッジ状態が存在しないことを反映している。
• エッジ状態と分子準位の相互作用は、従来のジャンクションに見られない非自明な輸送シグネチャを生じる。