[論文レビュー] Structural and Electronic Properties of Graphene and Graphene-like Materials

Goutam Mukhopadhyay, Harihar Behera|arXiv (Cornell University)|Oct 10, 2012

Graphene research and applications参考文献 12被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、グラフェンおよびSiC、BN、ZnO、GaNを含む10種の関連2次元材料の構造的および電子的性質を調査するために、フルポテンシャル密度汎関数理論（DFT）を用いる。主な発見は、いくつかのグラフェン様材料がチューナブルな電子的バンド構造と構造的安定性を示しており、実験的に合成されれば、将来のナノエレクトロニクス用途への応用が期待される。

ABSTRACT

Using full potential density functional theory calculations we have investigated the structural and electronic properties of graphene and some other graphene-like materials, viz., monolayer of SiC, GeC, BN, AlN, GaN, ZnO, ZnS and ZnSe. We hope, with the advancement of material synthesis techniques, some these new materials will be synthesized in the near future for potential applications in various nano-devices.

研究の動機と目的

• 第一原理計算を用いて、グラフェンおよび関連2次元材料の構造的および電子的性質を調査すること。
• 将来のナノデバイス用途に向けた有望な候補を、グラフェン様材料から特定すること。
• 予測された安定性および電子的挙動に基づき、これらの材料の合成可能性を評価すること。
• 新規2次元材料の実験的合成の理論的基盤を提供すること。
• グラフェンと比較して、さまざまな2次元材料の電子的バンド構造および格子定数を分析すること。

提案手法

• 密度汎関数理論（DFT）におけるフルポテンシャル線形化加重平面波（FP-LAPW）法。
• 交換相関関数として一般化勾配近似（GGA）の使用。
• 平衡格子定数および結合長を決定するための構造最適化。
• バンドギャップおよび状態密度を決定するための電子構造計算。
• 材料の安定性を理解するための電荷密度および結合特性の分析。
• BN、ZnO、GaN、SiCを含む複数の2次元材料間での結果比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのグラフェン様2次元材料が、グラフェンと同等の構造的安定性を示すか？
• RQ2 これらの材料の電子的バンド構造は、グラフェンのそれとどのように異なるか？
• RQ3 本研究で対象としたBN、ZnO、GaNおよびその他の2次元材料の予測バンドギャップは何か？
• RQ4 これらの材料は、ナノエレクトロニクスに適した望ましい電子的性質をどの程度維持しているか？
• RQ5 これらの材料は、将来のデバイス用途におけるグラフェンの代替として現実的に可能とされるか？

主な発見

• 本研究では、BN、ZnO、GaN、ZnSが顕著なバンドギャップを示すと予測されており、これはフィールド効果トランジスタに適している。
• SiCおよびGeCの単層は、バルク相の実験的値に近い格子定数を示し、構造的安定性を示している。
• AlNおよびZnSeは間接ギャップを示しており、オプトエレクトロニクス用途への可能性が示唆される。
• BNのように一部の材料では、グラフェンの電子的バンド構造が最小限の歪みで保持されている。
• 電荷密度解析により、BNやZnOのような材料に強い共有結合およびイオン結合が存在し、それらの安定性に寄与していることが確認された。
• 予測バンドギャップは0 eV（グラフェン）から約3.5 eV（ZnO）の範囲にわたり、電子的挙動のチューニングが可能であることが示された。