[論文レビュー] Effects of zigzag edge states on the thermoelectric properties of finite graphene nanoribbons

David Ming Ting Kuo|arXiv (Cornell University)|Apr 9, 2022

Graphene research and applications参考文献 52被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、タイトバインディングモデルとグリーン関数法を用いて、有限なグラフェンナノリボン（GNRs）の熱電特性を調査し、特にゼイツグエッジ状態が電子輸送に与える影響に焦点を当てる。その結果、アームチェア端を持つGNRsが電極に結合されている場合、ゼイツグエッジ状態が、特に高いパワー・ファクターを示す、頑健な熱電性能を実現することが判明した。これは、軌道デジェネラシーを示す2つの並列した量子ドットに類似した系を模倣しており、欠陥散乱に対してもその特性が保たれることが示された。

ABSTRACT

Thermoelectric properties of finite graphene nanoribbons (GNRs) coupled to metallic electrodes are theoretically studied in the framework of tight-binding model and Green's function approach. When the zigzag sides are coupled to the electrodes, the electron transport through the localized edge states can occur only if the channel length between electrodes is smaller than the decay length of these localized zigzag edge states. When the armchair edges are coupled to the electrodes, there is an interesting thermoelectric behavior associated with the mid-gap states when the GNR is in the semiconducting phase. Here we show that the thermoelectric behavior of zigzag edge states of GNRs with armchair sides connected to electrodes is similar to that of two parallel quantum dots with similar orbital degeneracy. Furthermore, it is demonstrated that the electrical conductance and power factor given by the zigzag edge states are quite robust against the defect scattering.

研究の動機と目的

• 金属電極に接続された有限なグラフェンナノリボン（GNRs）におけるゼイツグエッジ状態が、熱電輸送に与える影響を理解すること。
• アームチェア端を持つGNRsが電極に接続された場合の熱電特性を調査し、特に半導体状態における中間ギャップ状態の役割を明らかにすること。
• ゼイツグエッジ状態支配の輸送において、電気的コンダクタンスとパワー・ファクターが欠陥散乱に対してどれほど頑健であるかを評価すること。
• ゼイツグエッジ状態が示す熱電応答を、軌道デジェネラシーを示す2つの並列量子ドットの応答と比較すること。
• 低次元のグラフェンベースの系における熱電効率と出力の最適化の理論的基盤を提供すること。

提案手法

• GNRsのフェルミ準拠近傍の電子状態をモデル化するため、単一軌道のタイトバインディングハミルトニアンを用い、pz軌道に由来するπバンドに焦点を当てる。
• 非平衡グリーン関数（NEGF）形式を用いて、コンダクタンスや透過係数などの電子輸送特性を計算する。
• 界面原子におけるトンネル率（ΓL, ΓR）を用いて、GNRsと金属電極との結合をモデル化する。
• 非平衡状態下でのサーベック係数（S）、電気的コンダクタンス（Ge）、パワー・ファクター（S²Ge）などの熱電係数を分析する。
• 輸送メカニズムの比較のため、ゼイツグエッジおよびアームチェアエッジの両方の構造をシミュレートする。
• 局所的不純物を導入することで欠陥散乱の影響を評価し、コンダクタンスおよびパワー・ファクターへの影響を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 金属電極に接続された有限なGNRsにおいて、ゼイツグエッジ状態が熱電応答に与える影響は何か？
• RQ2 半導体状態にあるアームチェア端を持つGNRsにおいて、中間ギャップ状態が熱電性能に果たす役割は何か？
• RQ3 ゼイツグエッジ状態が示すGNRsの輸送行動は、軌道デジェネラシーを示す2つの並列量子ドットのそれとどのように比較できるか？
• RQ4 ゼイツグエッジ状態が支配する状態において、電気的コンダクタンスおよびパワー・ファクターは欠陥散乱に対してどの程度耐性を示すか？
• RQ5 局在的ゼイツグエッジ状態を介した輸送において、電極間のチャネル長が熱電効率に与える依存性は何か？

主な発見

• ゼイツグエッジが電極に接続されている場合、局在的エッジ状態を介した電子輸送は、チャネル長がエッジ状態の減衰長より短い場合にのみ可能である。
• 半導体状態にあるアームチェア端を持つGNRsでは、中間ギャップ状態に起因するバンドギャップ中央に鋭い透過ピークが現れ、共鳴輸送を示している。
• アームチェア端を持つGNRsにおけるゼイツグエッジ状態の熱電特性は、特に鋭いコンダクタンスピークの形成を除き、軌道デジェネラシーを示す2つの並列量子ドットと類似した挙動を示す。
• ゼイツグエッジ状態が媒介する電気的コンダクタンスおよびパワー・ファクターは、欠陥散乱に対して極めて頑健であり、不純物が存在しても高い値を維持する。
• 欠陥条件下でもパワー・ファクター（S²Ge）は顕著かつ安定しており、低次元グラフェン系における実用的熱電応用の強い可能性を示唆している。
• 本研究では、有限サイズ効果およびエッジ形状が熱電性能を決定づけることが示され、特にアームチェア端構造が中間ギャップ状態を介して強化され安定した輸送を可能にしている。