[論文レビュー] R-graphyne: a new two-dimension carbon allotrope with versatile Dirac-like point in nanoribbons

Wen‐Jin Yin, Yuee Xie+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 10, 2016

Graphene research and applications被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、四員環とアセチレン結合を有する新規2次元炭素同素体R-graphyneを提案する。そのナノリボンは幅依存性のバンドギャップを示し、半導体的性質と金属的性質の間を振動する。主な発見は、半整数単位セルを持つねじれ状エッジナノリボンにおいて、サブラットスの対称性と中心対称性から起因するディラック型フェルミオンの出現であり、炭素ナノ構造体におけるディラック型点形成の新規メカニズムを明らかにし、ナノエレクトロニクスへの応用可能性を示唆する。

ABSTRACT

A novel two-dimensional carbon allotrope, rectangular graphyne (R-graphyne) with tetra-rings and acetylenic linkages, is proposed by first-principles calculations. Although the bulk R-graphyne exhibits metallic property, the nanoribbons of R-graphyne show distinct electronic structures from the bulk. The most intriguing feature is that band gaps of R-graphene nanoribbons oscillate between semiconductor and metal as a function of width. Particularly, the zigzag edge nanoribbons with half-integer repeating unit cell exhibits unexpected Dirac-like fermions in the band structures. The Dirac-like fermions of the R-graphyne nanoribbons originate from the central symmetry and two sub-lattices. The extraordinary properties of R-graphene nanoribbons greatly expand our understanding on the origin of Dirac-like point. Such findings uncover a novel fascinating property of nanoribbons, which may have broad potential applications for carbon-based nano-size electronic devices.

研究の動機と目的

• 四員環とアセチレン結合からなる独自の格子構造を持つ新規2次元炭素同素体R-graphyneを提案すること。
• R-graphyneナノリボンの電子的性質、特に幅依存性バンド構造を調査すること。
• R-graphyneナノリボンにおけるディラック型フェルミオンが出現する原因および条件を探索すること。
• サブラットスの対称性と中心対称性が、この系におけるディラック型点形成に果たす寄与を理解すること。
• R-graphyneナノリボンが将来の炭素ベースのナノスケールエレクトロニクス素子にどのように応用可能かを評価すること。

提案手法

• R-graphyne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）計算を用いた。
• 幅やエッジ形状を変化させたナノリボンを分析し、特にねじれ状およびアームチェア型構造に注目した。
• リボン幅に応じたバンドギャップの変化を調査するために、電子バンド構造を計算した。
• ディラック型点の安定化に寄与するサブラットスと中心対称性の役割を特定するために、対称性解析を実施した。
• 特定のナノリボン構造において、フェルミ準位付近の線形分散を観察することで、ディラック型フェルミオンの存在を確認した。
• 理論的解析により、格子幾何学的構造と電子的対称性の相乗作用が、ディラック型挙動の出現を引き起こしていることを結びつけた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 R-graphyneナノリボンの電子構造は何か？ また、リボン幅とエッジタイプに応じてどのように変化するか？
• RQ2 R-graphyneナノリボンにおいて、どのような条件下でディラック型フェルミオンが出現するか？
• RQ3 サブラットスの対称性と中心対称性は、R-graphyneにおけるディラック型点形成にどのように寄与するか？
• RQ4 R-graphyneナノリボンにおける半導体的状態と金属的状態の間を振動するバンドギャップ挙動の起源は何か？
• RQ5 R-graphyneは、その特異な格子トポロジーのおかげで、トポロジカル保護状態や新規量子現象を支持できるか？

主な発見

• R-graphyneは、その特異な四員環とアセチレン結合の構造のおかげで、金属的バルク相を示す。
• R-graphyneナノリボンのバンドギャップは、リボン幅に応じて半導体的性質と金属的性質の間を振動的に変化する。
• 繰り返し単位セルが半整数個のねじれ状エッジナノリボンでは、フェルミ準位にディラック型フェルミオンが存在する。
• これらのナノリボンにおけるディラック型点は、格子内の中心対称性と2つの異なるサブラットスの両方の組み合わせから生じる。
• R-graphyneナノリボンの電子構造は非常に調整可能であり、1つの材料系で半導体的および金属的挙動を両立できる。
• 本研究により、グラフェンとは異なり、炭素ベースの2次元材料におけるディラック型点形成の新規メカニズムが明らかになった。これは、低次元エレクトロニクスに応用可能な意義ある知見である。