[論文レビュー] Graphyne- and Graphdiyne-based Nanoribbons: Density Functional Theory Calculations of Electronic Structures

Lida Pan, Lizhi Zhang+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 19, 2012

Graphene research and applications被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、密度汎関数理論（DFT）計算を用いて、アームチェアおよびジグザグ端を持つグラファインおよびグラフジンのナノリボンの電子的性質を調査した。すべてのナノリボンは、リボン幅が増加するにつれて減少するチューナブルなバンドギャップを示す半導体的性質を示し、ジグザググラファインナノリボンは特異な段階的バンドギャップ行動を示し、ナノスケールデバイスにおける頑健な電子的チューニングの可能性を示している。

ABSTRACT

We report on the configurations and electronic properties of graphyne and graphdiyne nanoribbons with armchair and zigzag edges investigated with first principles calculations. Our results show that all the nanoribbons are semiconductors with suitable band gaps similar to silicon. And their band gaps decrease as widths of nanoribbons increase. We also find that the band gap is at the Gamma point for all graphdiyne ribbons and it is at the X point for all graphyne ribbons. Of particular interest, the band gap of zigzag graphyne nanoribbons show a unique step effect as the width increases. This property is good for tuning of the energy band gap, as in a certain range of the ribbon width, the energy gap remains constant and in reality the edge cannot be as neat as that in a theoretic model.

研究の動機と目的

• 異なるエッジ幾何学的形状を有するグラファインおよびグラフジンを基盤とするナノリボンの電子構造を理解すること。
• リボン幅およびエッジ構成（アームチェア対ジグザグ）がバンドギャップに与える影響を調査すること。
• 電子的性質のチューニングを通じて、これらの材料のナノエレクトロニクス応用の可能性を評価すること。
• 特にジグザグ構成において、現実的なエッジ欠損に対してバンドギャップの挙動がどれほど頑健であるかを検討すること。

提案手法

• グラファインおよびグラフジンナノリボンの電子構造をモデル化するために、第一原理的密度汎関数理論（DFT）計算が用いられた。
• アームチェアおよびジグザグエッジ終端を有する構造が作成され、安定性の観点から最適化された。
• 電子的性質の分析およびバンドギャップの位置同定のために、バンド構造および状態密度が計算された。
• リボン幅に伴うバンドギャップの依存関係が、複数の幅に対して体系的に評価された。
• ジグザググラファインナノリボンで観察された段階的ギャップ行動を基に、エッジ粗さの影響がバンドギャップの安定性の観点から間接的に考慮された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グラファインおよびグラフジンナノリボンの電子的バンド構造は、アームチェアとジグザグエッジ構成でどのように異なるか？
• RQ2 これらのナノリボンにおいて、リボン幅とバンドギャップの関係は何か？
• RQ3 グラフジンおよびグラファインナノリボンのブリユアンゾーンにおけるバンドギャップはどこに位置するか？
• RQ4 ジグザググラファインナノリボンのバンドギャップは、幅が増加するに従い段階的な挙動を示すか？
• RQ5 特にジグザグ構成において、エッジ欠損に対してバンドギャップはどれほど頑健か？

主な発見

• すべてのグラファインおよびグラフジンを基盤とするナノリボンは、シリコンと同等のバンドギャップを示す半導体である。
• アームチェアおよびジグザグ両構成において、リボン幅が増加するにつれてバンドギャップは単調に減少する。
• すべてのグラフジンナノリボンにおいて、バンドギャップはブリユアンゾーンのガンマ点に位置する。
• すべてのグラファインナノリボンにおいて、バンドギャップはブリユアンゾーンのX点に位置する。
• ジグザググラファインナノリボンは、幅の範囲にわたりバンドギャップがほぼ一定を保つ特異な段階的バンドギャップ行動を示し、エッジ不純物に対して耐性があることが示唆された。