[論文レビュー] Enhanced current rectification in graphene nanoribbons: Effects of geometries and orientations of nanopores

J. Majhi, Sudin Ganguly+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 9, 2021

Graphene research and applications参考文献 72被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、グラフェンナノリボン（GNRs）における電流整流を、幾何学的・方位的特性を調整したナノポーレの設計によって向上させることを提案している。非平衡グリーン関数（NEGF）シミュレーションを用いて、三角形および楕円形ナノポーレが、電子輸送における強い非対称性を引き起こすことにより、対称なポーレよりも最大10倍高い整流比を実現することを示している。さらに、フェルミエネルギーの調整により性能がさらに最適化されることも明らかになった。

ABSTRACT

We discuss the possibility of getting rectification operation in graphene nanoribbon (GNR). For a system to be a rectifier, it must be physically asymmetric and we induce the asymmetry in GNR by introducing nanopores. The rectification properties are discussed for differently structured nanopores. We find that shape and orientation of the nanopores are critical and sensitive to the degree of current rectification. As the choice of Fermi energy is crucial for obtaining significant current rectification, explicit dependence of Fermi energy on the degree of current rectification is also studied for a particular shape of the nanopore. Finally, the role of nanopore size and different spatial distributions of the electrostatic potential profile across the GNR are discussed. Given the simplicity of the proposed method and promising results, the present proposition may lead to a new route of getting current rectification in different kinds of materials where nanopores can be formed selectively.

研究の動機と目的

• ナノポーレを用いた構造的非対称性の導入により、グラフェンナノリボン（GNRs）がナノスケール整流素子として有効であるかを検討すること。
• ナノポーレの幾何学的形状と方位がGNRsにおける電流整流効率に与える影響を調査すること。
• GNR全体におけるフェルミエネルギーおよび静電ポテンシャル分布の整流への依存関係を分析すること。
• シンプルでスケーラブルな設計において整流比を最大化する最適なナノポーレ構成を同定すること。
• 選択的ナノポーレ設計を用いた、高性能で全カーボン構造の整流素子の設計に向けた理論的基盤を提供すること。

提案手法

• GNRsにナノポーレを有する系における電子輸送をモデル化するため、非平衡グリーン関数（NEGF）形式とタイトバインディングハミルトニアンを組み合わせた手法を採用する。
• 整流比（RR = |I(V) - I(-V)| / |I(V) + I(-V)|）を定量化するために、順方向および逆方向バイアス下での電流-電圧（I-V）特性をシミュレートする。
• GNR軸に対する相対的なナノポーレの形状（円形、楕円形、正方形、長方形、三角形、任意形状、ランダム）および方位を体系的に変化させる。
• 固定されたナノポーレ形状に対して、フェルミエネルギーを変化させることで、整流性能への影響を検証する。
• 構造的非対称性と整流挙動の相関関係を明らかにするために、静電ポテンシャルの空間的分布および透過スペクトルを分析する。
• バンドギャップを明確に開くため、基底構造としてZGNR（滑らかでないグラフェンナノリボン）を採用し、明確な1次元系における整流を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GNRsにおけるナノポーレの形状と方位は、電流整流度にどのように影響を与えるか？
• RQ2 GNRsにおける整流比を最大化する最適なナノポーレの幾何学的形状と方位は何か？
• RQ3 フェルミエネルギーは、ナノポーレ修飾GNRsにおける整流性能にどのように影響を与えるか？
• RQ4 GNR全体における静電ポテンシャル分布の変動は、整流効率にどのように関与するか？
• RQ5 GNRsにおけるナノポーレ設計は、分子ダイオードと同等またはそれ以上の整流比を達成できるか？

主な発見

• 特に、滑らかでないエッジを持つ二等辺および正三角形ナノポーレは、最も高い整流比を示し、円形または正方形ポーレよりも最大10倍高い。
• GNRの長手方向に長軸を配置した楕円形ナノポーレは、幅方向に配置した場合に比べ、顕著に整流性能が向上する。
• 整流比はフェルミエネルギーに強く依存しており、特定のナノポーレ形状ではバンド端付近で最適な性能が得られる。
• 非中心的または方向性を持つナノポーレによって誘発される静電ポテンシャルの非対称的空間的分布が、バイアス下での顕著な電流非対称性を引き起こす。
• 任意形状およびランダムナノポーレ構成でも、低いが無視できない整流が得られ、構造的非対称性そのものが整流を誘発する十分条件であることが示された。
• 特定の三角形および楕円形ナノポーレにおいて、最適なフェルミエネルギー条件下で観測された最大整流比は0.8を超えており、強い整流挙動を示している。