[論文レビュー] Interface of graphene nanopore and hexagonal boron nitride as a sensing device

Fábio A. L. de Souza, Wanderlã L. Scopel+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 23, 2016

Graphene research and applicationsMaterials Science参考文献 39被引用数 19

ひとこと要約

本稿では、ナノポーレーションを有するグラフェン/六方窒化ホウ素（h-BN）ヘテロ構造を、分子やDNA配列のリアルタイムにおける電導度変調を用いた高感度ナノセンサーとして提案している。DFTおよび非平衡グリーン関数法を用いて、ナノポーレーションを形成した際、h-BN界面における1原子幅の炭素鎖に電流が閉じ込められることを示し、電流パスの選択的制御が可能となる電子的センシングが実現可能であることを明らかにした。

ABSTRACT

The atomically-precise controlled synthesis of graphene stripes embedded in hexagonal boron nitride opens up new possibilities for the construction of nanodevices with applications in sensing. Here, we explore properties related to electronic structure and quantum transport of a graphene nanoroad embedded in hexagonal boron nitride, using a combination of density functional theory and the non-equilibrium Green's functions method to calculate the electric conductance. We find that the graphene nanoribbon signature is preserved in the transmission spectra and that the local current is mainly confined to the graphene domain. When a properly sized nanopore is created in the graphene part of the system, the electronic current becomes restricted to a carbon chain running along the border with hexagonal boron nitride. This circumstance could allow the hypothetical nanodevice to become highly sensitive to the electronic nature of molecules passing through the nanopore, thus opening up ways for the detection of gas molecules, amino acids, or even DNA sequences based on a measurement of the real-time conductance modulation in the graphene nanoroad.

研究の動機と目的

• 制御されたナノポーレーションを有するh-BN内に埋め込まれたグラフェンナノリボンを用いた新しい2次元ナノセンサーの設計。
• グラフェン領域にナノポーレーションが存在する場合、電子的輸送および電流局在に及ぼされる影響の調査。
• ガス検出およびDNA配列決定を含むセンシング用途におけるこのハイブリッド系の可能性の探求。
• グラフェン-h-BN界面で電流が1原子幅の炭素鎖に閉じ込められるかどうかの特定。
• 電気化学的ポーレーション形成を用いたナノポーレーション位置の最適化されたセンシング性能への適合可能性の評価。

提案手法

• ハイブリッドグラフェン/h-BN系の電子構造をモデル化するために、GGA-PBE交換相関関数を用いた密度汎関数理論（DFT）が用いられた。
• 量子輸送特性および電気伝導度を計算するために、非平衡グリーン関数（NEGF）形式が適用された。
• グラフェン（w）およびh-BN（v）の幅を変化させたモデルが構築され、幅依存性によるバンドギャップの分析が行われた。
• 異なるバイアス条件下での電流パスを特定するために、透過スペクトルおよび局所的電流密度が計算された。
• 導電度ピークに寄与する電子状態の空間的起源を特定するために、波動関数の局在解析が実施された。
• ナノポーレーションは、h-BN界面に隣接するグラフェン端縁部の炭素原子を削除することでシミュレートされ、電気化学的ポーレーション形成を模倣した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グラフェンナノリボンの幅が、グラフェン/h-BNヘテロ構造におけるバンドギャップおよび電子的輸送に与える影響は何か？
• RQ2 ヘテロ構造のグラフェン領域にナノポーレーションが導入された場合、電流パスはどのように変化するか？
• RQ3 ナノポーレーションの存在により、h-BN界面に沿って1原子幅の炭素鎖への電子的電流の閉じこめは可能か？
• RQ4 特にフェルミ準位付近において、ナノポーレーションの存在が透過スペクトルに与える影響は何か？
• RQ5 この系は、電導度変調を用いて通過するバイオ分子を高感度で検出するセンサーとして機能可能か？

主な発見

• グラフェンナノリボンの幅が増加するに従い、バンドギャップが減少し、半導体からゼロギャップ半導体への遷移が生じる。
• 完全な系では、エネルギー窓に応じて電流がグラフェンナノリボンの中心部および縁部を通過する。
• ナノポーレーション形成後、電流はC-N界面に位置する1原子幅の炭素鎖に強く閉じ込められ、C-B側からの寄与は最小限に抑えられる。
• エネルギー範囲|1.25|から|0.25| eVの間で透過がゼロに抑制されることにより、強い電子的ブロッキングが示された。
• 特定のエネルギー（例：-0.1 eVおよび-0.5 eV）では、電流が界面原子に沿って主に流れ、波動関数はそれぞれC-NおよびC-B結合付近に局在化している。
• 本系は2つの明確な導電度プラトーを示す：中央プラトーではT = 2G₀（界面原子が支配的）、中央領域ではT = 1G₀（バルクグラフェン原子が支配的）