[論文レビュー] Stone-Wales graphene: A Two Dimensional Carbon Semi-Metal with Magic Stability

Hengchuang Yin, Xizhi Shi+8 more|arXiv (Cornell University)|Jan 9, 2019

Graphene research and applications被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、√8 × √8 グラフェン超格子における90°結合回転によって形成される二酸化炭素同素体、Stone-Wales グラフェンを提案する。この構造は「魔法のサイズ効果」により極めて安定である。第一原理計算により、動的安定性を示す半金属であり、歪んだ異方的ディラック・コーンを有し、以前に提案された同素体（例えば、フラフギューレンやψ-グラフェン）よりもエネルギーが低いことが確認された。

ABSTRACT

A two-dimensional carbon allotrope, Stone-Wales graphene, is identified in stochastic group and graph constrained searches and systematically investigated by first-principles calculations. Stone-Wales graphene consists of well-arranged Stone-Wales defects, and it can be constructed through a 90$^\circ$ bond-rotation in a $\sqrt{8}$$ imes$$\sqrt{8}$ super-cell of graphene. Its calculated energy relative to graphene, +149 meV/atom, makes it more stable than the most competitive previously suggested graphene allotropes. We find that Stone-Wales graphene based on a $\sqrt{8}$ super-cell is more stable than those based on $\sqrt{9} imes \sqrt{9}$, $\sqrt{12} imes \sqrt{12}$ and $\sqrt{13} imes \sqrt{13}$ super-cells, and is a "magic size" that can be further understood through a simple "energy splitting and inversion" model. The calculated vibrational properties and molecular dynamics of SW-graphene confirm that it is dynamically stable. The electronic structure shows SW-graphene is a semimetal with distorted, strongly anisotropic Dirac cones.

研究の動機と目的

• グラフェンを超える新しい2次元炭素同素体を、確率的およびグラフ制約探索を用いて同定すること。
• グラフェン超格子におけるStone-Wales欠陥によって形成される同素体のエネルギー的安定性および構造的性質を調査すること。
• Stone-Wales グラフェンが動的安定性および半金属性といった特異な電子的性質を示すかどうかを特定すること。
• √8 × √8 超格子における安定性の向上の起源を、新規の「エネルギー分裂と反転」モデルによって説明すること。
• SW-グラフェン同素体の族全体における電子構造を調査し、ディラック・コーンを示すものかどうかを同定すること。

提案手法

• 24原子/単位格子までの安定な2次元炭素構造を探索するため、RG2コードを用いた確率的グループおよびグラフ制約探索を実施した。
• VASPを用いた第一原理密度汎関数理論（DFT）計算により、構造的・エネルギー的・電子的性質を計算した。
• 炭素に対して2s²2p² PAW擬ポテンシャルを用い、電子的収束のため50 Ryのエネルギーカットオフを設定した。
• 動的安定性を評価するために、フォノン分散および分子動力学シミュレーションを実施した。
• 単一のStone-Wales欠陥を有する√N × √N 超格子におけるエネルギー変化を体系的に分析し、固定配置状態、イオン緩和状態、完全緩和状態を比較した。
• √8 × √8 超格子における安定性の向上を、リラクゼーションエネルギー寄与（ΔE₁、ΔE₂、ΔE₃）の分析により説明する新規の「エネルギー分裂と反転」理論モデルを構築した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Stone-Wales欠陥に基づく2次元炭素同素体の中で、以前に提案されたグラフェン同素体よりも安定なものが存在するか？
• RQ2 Stone-Wales グラフェンの√8 × √8 超格子に観察される特異な安定性の起源は何か？
• RQ3 Stone-Wales グラフェンは、熱的および振動的ゆらぎに対して動的安定性を示すか？
• RQ4 Stone-Wales グラフェンの電子構造はどのようなものか？また、異方的フェルミ速度を有するディラック・コーンを有するか？
• RQ5 SW-グラフェン同素体の広い族において、超格子サイズおよび対称性の変化に伴い、電子的性質はどのように変化するか？

主な発見

• √8 × √8 超格子に基づくStone-Wales グラフェンは、√9 × √9 超格子よりも50 meV/原子安定であり、√13 × √13 までの他の超格子よりも安定である。
• √8 × √8 SW-グラフェン構造は、グラフェンに対して、フラフギューレン（+201 meV/原子）およびψ-グラフェン（+165 meV/原子）よりもエネルギー的に有利である。
• フォノン分散および分子動力学シミュレーションにより、軟モードが観察されないため、構造は動的安定性を示している。
• 電子バンド構造は、強い異方的かつ歪んだディラック・コーンを有する半金属として特定され、非自明なベリー位相πを有する。
• √8 × √8 超格子の「魔法の安定性」は、イオン緩和中に最大のエネルギー放出（ΔE₂）が生じるためであり、これは「エネルギー分裂と反転」モデルによって説明される。
• SW-グラフェン同素体の族の中で、√8-Cmmm、√16、√24-Cmmm、√25、√27、および√32-Cmmm のみが、ディラック・コーンを有する半金属的性質を示す。他の構造は直接または間接ギャップを有する半導体である。