[論文レビュー] Quantum Electronic Transport Across "Bite" Defects in Graphene Nanoribbons

Michele Pizzochero, Kristiāns Čerņevičs+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 26, 2020

Graphene research and applications参考文献 51被引用数 26

ひとこと要約

本研究では、下向き合成されたアームチェア型グラフェンナノリボン（AGNR）において、特に9-AGNRにおいて、支配的構造障害とされる「バイト」欠陥——リボン端縁におけるベンゼン環の欠落——を同定した。走査トンネル顕微鏡と原子間力顕微鏡を併用して、これらの欠陥が強く集積し、特にバンド端付近で量子電荷輸送を著しく妨げる傾向があることを示した。第一原理計算により、顕著な電導度抑制が確認され、ナノエレクトロニクス用途における影響を最小限に抑えるための設計指針が提示された。

ABSTRACT

On-surface synthesis has recently emerged as an effective route towards the atomically precise fabrication of graphene nanoribbons of controlled topologies and widths. However, whether and to which degree structural disorder occurs in the resulting samples is a crucial issue for prospective applications that remains to be explored. Here, we experimentally identify missing benzene rings at the edges, which we name "bite" defects, as the most abundant type of disorder in armchair nanoribbons synthesized by the bottom-up approach. First, we address their density and spatial distribution on the basis of scanning tunnelling microscopy and find that they exhibit a strong tendency to aggregate. Next, we explore their effect on the quantum charge transport from first-principles calculations, revealing that such imperfections substantially disrupt the conduction properties at the band edges. Finally, we generalize our theoretical findings to wider nanoribbons in a systematic manner, hence establishing practical guidelines to minimize the detrimental role of such defects on the charge transport. Overall, our work portrays a detailed picture of "bite" defects in bottom-up armchair graphene nanoribbons and assesses their effect on the performance of carbon-based nanoelectronic devices.

研究の動機と目的

• 下向き合成されたアームチェア型グラフェンナノリボンに最も多く存在する構造欠陥を同定し、特徴づけること。
• 高分解能顕微鏡を用いて、これらの欠陥の空間的分布および集積行動を特定すること。
• 9-AGNRにおける「バイト」欠陥が量子電子輸送に与える影響を評価すること。
• 炭素ベースのナノエレクトロニクス素子における欠陥誘発性能劣化を最小限に抑えるための実用的設計ルールを確立すること。

提案手法

• Au(111)上に3’,6’-ジヨウドイド-1,1’:2’,1”-テルフェニル（DITP）前駆体を用いて、9-AGNRの表面合成を実施した。
• 低温走査トンネル顕微鏡（STM）および非接触原子間力顕微鏡（NC-AFM）を用い、CO修飾チップを用いて原子スケールの欠陥を観察した。
• 欠陥位置のペア分布関数解析を実施し、空間相関および集積傾向を定量化した。
• 電子構造、電導度、局所状態密度を計算するため、第一原理密度汎関数理論（DFT）計算を実施した。
• 中間電圧領域におけるI-V特性にシモンズのトンネル効果式を適合させ、輸送特性を抽出した。
• 結果の一般化を図るため、幅が広いn-AGNR（9 ≤ n ≤ 14）に対しても分析を拡張した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 下向き合成されたアームチェア型グラフェンナノリボンに最も多く存在する構造欠陥の種類は何か？
• RQ2 「バイト」欠陥は空間的にどのように分布しており、集積傾向を示すか？
• RQ3 9-AGNRにおいて「バイト」欠陥は、特にバンド端付近で、どれほど量子電荷輸送を妨げるか？
• RQ4 リボン幅および欠陥配置に応じて、欠陥を有するAGNRの電子的および輸送的性質はどのように変化するか？
• RQ5 理論的モデルを用いて、欠陥を最小限に抑えたAGNRの設計を予測・指針化できるか？

主な発見

• 「バイト」欠陥——リボン端縁におけるベンゼン環の欠落——が、下向き合成された9-AGNRにおいて最も一般的な構造的不純物であり、密度は0.19 ± 0.10 nm⁻¹であった。
• 欠陥は強く集積しており、互いに約2 nm以内に存在する確率が高く、特に同じ端縁上に存在する場合に顕著であった。
• 同じ端縁上に存在する欠陥数は、反対側の端縁に存在する場合の約2倍であったため、端縁選択的欠陥形成が示唆された。
• 第一原理計算により、「バイト」欠陥がバンド端付近で顕著な電導度抑制を引き起こし、バルトロン輸送を破壊することが明らかになった。
• 欠陥を有する9-AGNRの電導度は、完全な状態と著しく異なり、中間電圧領域におけるI-V曲線は、I ∝ (V + V³) のシモンズの式に適合した。
• n-AGNR（9 ≤ n ≤ 14）に対する系統的分析から、欠陥の影響は狭いリボンで最も顕著であり、その悪影響を最小化するための設計ルールが得られた。