[論文レビュー] Twisted bilayer zigzag-graphene nanoribbon junctions with tunable edge states

Dongfei Wang, De‐Liang Bao+15 more|arXiv (Cornell University)|Jul 4, 2022

Graphene research and applications被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、走査トンネル顕微鏡とスペクトロスコピー、および密度汎関数理論（DFT）計算を組み合わせることで、ねじれ角とスタッキングオフセットの両方を用いて、ねじれ二層斜めグラフェンナノリボン（TBZGNRs）におけるエッジ状態を正確に調整可能であることを示した。主な発見は、エネルギーとスピンデゲネラシーが高精度で調整可能な平坦バンドから生じる近似ゼロエネルギーのエッジ状態の出現であり、2次元と1次元のねじれ電子系における根本的な相違を明らかにした。

ABSTRACT

Stacking two-dimensional layered materials such as graphene and transitional metal dichalcogenides with nonzero interlayer twist angles has recently become attractive because of the emergence of novel physical properties. Stacking of one-dimensional nanomaterials offers the lateral stacking offset as an additional parameter for modulating the resulting material properties. Here, we report that the edge states of twisted bilayer zigzag graphene nanoribbons (TBZGNRs) can be tuned with both the twist angle and the stacking offset. Strong edge state variations in the stacking region are first revealed by density functional theory (DFT) calculations. We construct and characterize twisted bilayer zigzag graphene nanoribbon (TBZGNR) systems on a Au(111) surface using scanning tunneling microscopy. A detailed analysis of three prototypical orthogonal TBZGNR junctions exhibiting different stacking offsets by means of scanning tunneling spectroscopy reveals emergent near-zero-energy states. From a comparison with DFT calculations, we conclude that the emergent edge states originate from the formation of flat bands whose energy and spin degeneracy are highly tunable with the stacking offset. Our work highlights fundamental differences between 2D and 1D twistronics and spurs further investigation of twisted one-dimensional systems.

研究の動機と目的

• 1次元ねじれナノ材料におけるエッジ状態の調整可能性を調査すること、特に二層斜めグラフェンナノリボン（ZGNRs）を対象とする。
• スタッキングオフセットとねじれ角が1次元系の電子的性質にどのように共同で影響を与えるかを調査し、2次元ねじれ電子系と対比する。
• 走査トンネル顕微鏡（STM）を用いて、Au(111)基板上に制御されたスタッキング構成を持つねじれ二層ZGNRジャンクションを実験的に作製・特徴付けすること。
• 観測された近似ゼロエネルギー状態と、エネルギーとスピンデゲネラシーが調整可能な平坦バンドの形成との間に相関関係を確立すること。
• 電子構造工学の観点から、2次元と1次元のねじれ系の間の根本的な相違を強調すること。

提案手法

• ねじれ角とスタッキングオフセットの関数として、ねじれ二層ZGNRsの電子構造およびエッジ状態の挙動を予測するために密度汎関数理論（DFT）計算が用いられた。
• 制御されたスタッキング構成を持つAu(111)基板上に、ねじれ二層ZGNRジャンクションを形成し、走査トンネル顕微鏡（STM）を用いて画像化した。
• 局所状態密度を測定し、3つの代表的直交ジャンクションにおける近似ゼロエネルギーのエッジ状態の存在を特定するために、走査トンネルスペクトロスコピー（STS）が適用された。
• 3つの異なるスタッキングオフセット配置を選択し、実験的STSデータとDFT予測バンド構造を比較分析した。
• 実験的STSデータとDFTシミュレーションの比較分析により、平坦バンドに起因する新たなエッジ状態の起源が確認された。
• スタッキングオフセットとねじれ角を系統的に変化させることで、エッジ状態エネルギーとスピンデゲネラシーの調整可能性をマップした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スタッキングオフセットとねじれ角が、二層斜めグラフェンナノリボンにおけるエッジ状態特性にどのように共同で影響を与えるか？
• RQ2 ねじれ二層ZGNRジャンクションにおいて観測された近似ゼロエネルギー状態の起源は何か？
• RQ3 1次元ねじれ系において、構造的パラメータを用いてエッジ状態のエネルギーとスピンデゲネラシーをどの程度調整可能か？
• RQ4 1次元ねじれZGNRの電子的性質は、2次元ねじれファンデルワールスヘテロ構造とどのように異なるか？
• RQ5 制御されたスタッキングにより1次元系に平坦バンドを設計可能か？また、その顕在的兆候は何か？

主な発見

• 走査トンネルスペクトロスコピーを用いて、3つの代表的直交ねじれ二層ZGNRジャンクションにおいて、近似ゼロエネルギーのエッジ状態が実験的に観測された。
• DFT計算により、スタッキングオフセットに応じてこれらのエッジ状態のエネルギーとスピンデゲネラシーが高精度で調整可能であることが確認された。
• 新たに出現するエッジ状態は、特定のスタッキング構成によって安定化された平坦バンドに起因する。
• DFT計算により、異なるスタッキング領域におけるエッジ状態の特性に顕著な変動が生じることが明らかとなり、層間整列に極めて感受することが示された。
• 本研究では、1次元ねじれ系が2次元ねじれ電子系とは異なり、横方向のスタッキングオフセットを介した特異な調整メカニズムを有することを示した。
• 実験的および理論的結果が強く一致しており、スタッキングオフセットが1次元ねじれ電子系における主要な制御パラメータであることが裏付けられた。