[論文レビュー] Work Function of Single-wall Silicon Carbide Nanotube

Fawei Zheng, Yu Yang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 7, 2011

Graphene research and applications参考文献 26被引用数 31

ひとこと要約

本研究では、第一原理計算を用いて、シングルウォール炭化ケイ素ナノチューブ（SiCNTs）の仕事関数がねじれ構造と直径に強く依存することを明らかにした。Zigzag型SiCNTsは、フェルミ準位付近に一重簡約な伝導帯を有するため、armchair型SiCNTsよりも高い仕事関数を示す。仕事関数は直径が小さくなるにつれて著しく増加し、(4,0) zigzag型ナノチューブでは5.47 eVに達する。armchair型ナノチューブでは、仕事関数は逆直径に対して線形的であり、WF = 2.80/D + 3.77 eVと表せる。

ABSTRACT

Using first-principles calculations, we study the work function of single wall silicon carbide nanotube (SiCNT). The work function is found to be highly dependent on the tube chirality and diameter. It increases with decreasing the tube diameter. The work function of zigzag SiCNT is always larger than that of armchair SiCNT. We reveal that the difference between the work function of zigzag and armchair SiCNT comes from their different intrinsic electronic structures, for which the singly degenerate energy band above the Fermi level of zigzag SiCNT is specifically responsible. Our finding offers potential usages of SiCNT in field-emission devices.

研究の動機と目的

• 第一原理計算を用いて、シングルウォール炭化ケイ素ナノチューブ（SiCNTs）の仕事関数を体系的に決定すること。
• ナノチューブのねじれ構造（zigzag対armchair）および直径が仕事関数に与える影響を調査すること。
• zigzag型とarmchair型SiCNTs間の仕事関数の差の原因を特定すること。
• 両ねじれ構造における仕事関数とナノチューブ直径との間の定量的関係を同定すること。
• 仕事関数の特性に基づいて、SiCNTsのフィールドエミッション素子への応用可能性を評価すること。

提案手法

• すべての電子状態計算にビエナ・アビ・イニティ・シミュレーション・パッケージ（VASP）を用いた。
• バーデルの超ソフトポテンシャルと一般化勾配近似（GGA）を用いて、交換相関関数を設定した。
• 平面波カットオフエネルギーを400 eVに設定し、ブリユアンゾーンの統合に29–19 kポイントを用いた（ナノチューブの種別に応じて変更）。
• 孤立ナノチューブをモデル化し収束性を確保するため、25 Åの間隔をもつスーパーセルを構築した。
• 力が0.01 eV/Å未満になるまで全原子の最適化を実施し、ナノチューブ軸長の最適化も行った。
• 仕事関数をWF = φ - E_Fとして定義した。ここでφは真空準位、E_Fはフェルミエネルギー（中間ギャップに設定）である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 シングルウォールSiCNTsの仕事関数は、ナノチューブの直径およびねじれ構造にどのように依存するか？
• RQ2 なぜzigzag型SiCNTsの仕事関数は、常にarmchair型SiCNTsよりも高いのか？
• RQ3 zigzag型とarmchair型SiCNTs間の仕事関数の差の原因は何か？
• RQ4 特に伝導帯の電子構造が、仕事関数にどのように影響するか？
• RQ5 仕事関数は逆直径に対する単純な関数的依存性で記述できるか？

主な発見

• 研究対象の全直径範囲において、zigzag型SiCNTs（ZSiCNTs）の仕事関数は、常にarmchair型SiCNTs（ASiCNTs）よりも高い。
• 両ねじれ構造において、ナノチューブの直径が小さくなるにつれて仕事関数は著しく増加し、特にZSiCNTsで最も顕著な増加が観察された。
• (4,0) ZSiCNTsは5.47 eVという最高の仕事関数を示し、強力なフィールドエミッション可能性を示している。
• ASiCNTsの仕事関数は逆直径に対して線形的であり、WF = 2.80/D + 3.77 eVという式で良好にフィットした。
• ZSiCNTs（(3,0)を除く）の仕事関数も線形的傾向を示し、WF = 7.74/D + 3.56 eVと表せる。この傾きはASiCNTsよりも急である。
• 仕事関数の差は、主に固有の電子構造に起因する。具体的には、ZSiCNTsにフェルミ準位の上に一重簡約な伝導帯が存在し、それがナノチューブ外部に局在化しており、ケイ素原子に近い位置にあるためである。