[論文レビュー] Molecular circuits based on graphene nano-ribbon junctions

Zhiping Xu|ArXiv.org|Apr 3, 2007

Graphene research and applications参考文献 15被引用数 92

ひとこと要約

本稿では、単層グラフェンの原子精度なパターニングを活用して金属-半導体ジャンクションおよび量子ドットを形成する、チューナブルな分子電子素子としてのグラフェンナノリボン接合を提案する。非平衡グリーン関数計算により、エッジ形状と幅の制御が電子輸送を支配することを示し、バルクグラフェンやカーボンナノチューブとは異なり、スケーラブルで原子的に正確なナノエレクトロニクス素子の構築が可能であることを示す。

ABSTRACT

Graphene nano-ribbons junctions based electronic devices are proposed in this Letter. Non-equilibrium Green function calculations show that nano-ribbon junctions tailored from single layer graphene with different edge shape and width can act as metal-semiconductor junctions and quantum dots can be implemented. In virtue of the possibilities of patterning monolayer graphene down to atomic precision, these structures, quite different from the previously reported two-dimensional bulk graphene or carbon nanotube devices, are expected to be used as the building blocks of the future nano-electronics.

研究の動機と目的

• 原子的に正確なグラフェンナノリボンを分子スケールのエレクトロニクス回路の構築ブロックとして使用可能かどうかを検討すること。
• リボン幅やエッジジオメトリの変化が、グラフェンベースの接合における電子輸送に与える影響を調査すること。
• グラフェンナノリボン接合が金属-半導体ヘテロジャンクションおよび量子ドットとして機能可能であることを実証すること。
• 単層グラフェンを用いた今後のボトムアップナノエレクトロニクスの理論的基盤を確立すること。

提案手法

• グラフェンナノリボン接合を通過する電子輸送をモデル化するために、非平衡グリーン関数（NEGF）形式を採用する。
• 幅やエッジ形状（ジグザグおよびアームチェア）を変化させた接合を設計し、異なる電子的挙動を模擬する。
• リボン内の電子構造および散乱過程を記述するために、タイトバインディングハミルトニアンを用いる。
• バイアス下での電導度および電流-電圧応答などのデバイス特性をシミュレートする。
• 量子閉じ込め効果およびエッジ状態が輸送特性に与える影響を分析する。
• 精度とチューナビリティの観点で、従来のカーボンナノチューブやバルクグラフェンデバイスと比較し、優位性を明らかにする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 幅とエッジ形状を制御したグラフェンナノリボン接合が、金属-半導体ヘテロジャンクションとして機能可能か？
• RQ2 ジグザグおよびアームチェア型グラフェンリボン内のエッジ状態が、ナノスケール接合における電子輸送に与える影響は何か？
• RQ3 幾何的閉じ込めによって、グラフェンナノリボン構造内でどの程度の量子ドットを実現できるか？
• RQ4 グラフェンの原子的正確なパターニングによって、バルクまたはチューブ状の炭素構造とは異なる、スケーラブルで機能的なナノエレクトロニクス素子を実現可能か？
• RQ5 量子閉じ込めが、これらの接合の電導度および整流特性を決定づける役割を果たす程度は何か？

主な発見

• 幅やエッジジオメトリが異なるグラフェンナノリボン接合は、それぞれ特徴的な電子輸送特性を示し、チューナブルなショットキー型挙動を実現する。
• アームチェア型エッジを有するリボンは、サイズ依存のバンドギャップを示す半導体的挙動を示し、フィールド効果トランジスタに適している。
• ジグザグ型エッジを有するリボンはエッジ状態を示し、適切な閉じ込め条件下で電子を局在化可能であり、量子ドットの形成が可能である。
• 電導度はリボン幅およびエッジ構造に強く依存しており、狭いリボンでは量子化された電導度ステップが観察された。
• 理論的シミュレーションにより、これらの接合が整流挙動および電子局在化を支持できることを確認した。これは論理回路およびメモリ機能に不可欠である。
• 提案された構造は、将来的な原子的に正確なナノエレクトロニクスにおいて、カーボンナノチューブやバルクグラフェンとは異なる実用的代替手段を提供する。