[論文レビュー] Emerging Two-dimensional Materials: graphene and its other structural analogues

Goutam Mukhopadhyay, Harihar Behera|arXiv (Cornell University)|Jun 3, 2013

Graphene research and applications参考文献 6被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、グラフェンに続く2次元（2D）材料の出現をレビューしており、ボロンナイトライド、シリセン、グラファンに加え、Ge、SiC、GaNなどの予測された2次元ヘキサゴナル結晶を含む。計算手法を用いて構造的および電子的性質を分析し、体積物質とは顕著に異なる挙動を明らかにした。これらの2D系は、特異な量子的および力学的性質を示すため、高度なナノエレクトロニクスおよびオプトエレクトロニクスへの応用が期待される。

ABSTRACT

The study of graphene, since its discovery around 2004, is possibly the largest and fastest growing field of research in material science, because of its exotic mechanical, thermal, electronic, optical and chemical properties. The studies of graphene have also led to further research in exploring the field of two dimensional (2D) systems in general. For instance, a number of other 2D crystals (not based on carbon, e.g., boronitrene, silicone, graphane, etc.) have been synthesized or predicted theoretically in recent years. Further, theoretical studies have predicted the possibility of other 2D hexagonal crystals of Ge, SiC, GeC, AlN, GaN, etc. The properties of these 2D materials are very different from their bulk. We shall present the general exotic properties of graphene like 2D systems followed by our computational results on the structural and electronic properties of some of them.

研究の動機と目的

• グラフェンの発見に続く2次元材料分野の研究の急激な成長をレビューすること。
• 炭素系以外の2次元材料の構造的および電子的性質を調査すること。
• Ge、SiC、AlN、GaNなどの2次元結晶に関する理論的予測と実験的進展を探索すること。
• 体積物質とは顕著に異なる2次元系の独自の性質を強調すること。
• 特定の2次元材料の安定性および電子的挙動に関する計算結果を提示すること。

提案手法

• 2次元材料の構造的安定性および電子バンド構造の計算モデル化。
• エネルギー状態の解析および電子的性質の分析に密度汎関数理論（DFT）の使用。
• Ge、SiC、GaNなどのIV族およびIII-V族半導体の2次元形態の理論的予測。
• 次元効果を特定するために2次元系とその体積相の類縁体を比較すること。
• Si、Ge、Al、B、N、Cなどの元素に基づくヘキサゴナル2次元結晶構造の分析。
• 第一原理計算を用いた機械的、熱的、電子的および光学的性質の評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グラフェンに続く2次元材料、例えばシリセンやボロンナイトライドの主な構造的および電子的性質は何か？
• RQ2 2次元材料の電子的性質は、体積相のそれらとどのように異なるか？
• RQ3 Ge、SiC、AlN、GaNなどの2次元ヘキサゴナル結晶は、理論的に安定で、特異な性質を示すと予測されるか？
• RQ4 次元性が2次元系の機械的および電子的挙動をどのように変化させるか？
• RQ5 計算手法は、新規2次元材料の安定性および機能性をどのように予測するか？

主な発見

• グラフェンの発見は、その優れた機械的・熱的・電子的・光学的・化学的性質のおかげで、2次元材料分野における広範な研究を促進した。
• ボロンナイトライド、シリセン、グラファンなどの複数の2次元材料が合成されたか、理論的に予測されており、炭素に限らない2次元材料の体系を拡張した。
• 理論的研究では、Ge、SiC、GeC、AlN、GaNの2次元ヘキサゴナル相が安定であると予測されており、特徴的な電子的および構造的特性を示す。
• 2次元材料の電子バンド構造は、体積物質の挙動とは顕著に異なることが判明し、新規電子素子への応用が期待される。
• 計算結果は、特定の2次元系の安定性および独自の性質を確認しており、今後のナノスケール応用の実現可能性を支持する。
• 2次元材料の特異な性質、例えば高い電子移動度やチューナブルなバンドギャップは、次世代ナノエレクトロニクスおよびオプトエレクトロニクスへの応用が有望である。