[논문 리뷰] A DFT Study on the Electronic Structure of In-Plane Heterojunctions of Graphene and Hexagonal Boron Nitride Nanoribbons

Ramiro M. dos Santos, William Ferreira Giozza외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 07.

Graphene research and applications참고 문헌 52인용 수 2

한 줄 요약

이 DFT 연구는 다양한 도메인 크기를 가진 그래핀과 헥사곤형 붕소 nitride (h-BN) 나노리본 간의 평면 이종접합의 전자적 및 구조적 성질을 조사한다. 결과적으로 도메인 크기와 관계없이 전하 밀도가 가장자리에 국소화되며, 이종접합은 내재된 반자성 거동를 보이며, 평탄한 옵티오일렉트로닉스에서 나노스케일 자기 응용 가능성을 시사한다.

ABSTRACT

The structural similarity between hexagonal boron nitride (h-BN) and graphene nanoribbons allows for the formation of heterojunctions with small chain stress. The combination of the insulation nature of the former and the quasi-metallic property of the latter makes this kind of heterostructure particularly interesting for flat optoelectronics. Recently, it was experimentally demonstrated that the shapes of the graphene and h-BN domains can be controlled precisely, and sharp graphene/h-BN interfaces can be created. Here, we investigated the electronic and structural properties of graphene (h-BN) nanoribbon domains of different sizes sandwiched between h-BN (graphene) nanoribbons forming in-plane heterojunctions. Different domain sizes for the zigzag termination were studied. Results showed that the charge density is localized in the edge of the heterojunctions, regardless of the domain size. These materials presented a metallic nature with a ferromagnetic behavior, which can be useful for magnetic applications at the nanoscale.

연구 동기 및 목표

• 통제된 도메인 크기를 가진 평면 그래핀/h-BN 이종접합의 전자적 및 구조적 성질을 조사하기 위해.
• 도메인 크기와 가장자리 종류(지그재그)가 전하 분포 및 자기 거동에 미치는 영향을 이해하기 위해.
• 이 이종구조물이 나노스케일 자기 및 옵티오일렉트로닉스 응용에 어떻게 활용될 수 있는지 탐색하기 위해.
• 밀도함수이론(DFT)을 사용하여 지그재그 그래핀 및 h-BN 나노리본의 구조를 모델링하고 시뮬레이션하기 위해.

제안 방법

• GGA-PBE 교환-상관 기능을 사용한 SIESTA 코드를 활용한 밀도함수이론(DFT)을 적용하였다.
• 핵전자 상호작용을 처리하기 위해 노름보존 트라울러-마르티네스 가짜파손을 사용하였다.
• 이중-ζ 기저 집합과 15×15×1 k-점 메esh를 사용하여 브라바이 인영역을 샘플링하였으며, 200 Ry의 커팅오프를 적용하였다.
• 힘의 크기가 10−3 eV/Å 이하가 되고 에너지 수렴이 이루어질 때까지 전체 구조적 최적화를 수행하였다.
• 초세포 기하구조에서 계면 상호작용을 방지하기 위해 30 Å의 진공 슬립을 사용하였다.
• 두 가지 구성 방식을 모델링하였다: n-ZZGBNNRs(그래핀 도메인이 h-BN 나노리본에 있는 경우)와 m-ZZGBNNRs(h-BN 도메인이 그래핀 나노리본에 있는 경우)로, 도메인 크기를 지그재그 선 1~12개로 변화시켰다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 그래핀 또는 h-BN 도메인의 크기가 평면 그래핀/h-BN 이종접합의 전자 구조에 미치는 영향는 어떠한가?
• RQ2 이러한 이종접합에서 전하 밀도는 어디에 국소화되어 있으며, 이 국소화는 도메인 크기에 따라 달라지는가?
• RQ3 이러한 이종접합의 자기 기저 상태는 무엇이며, 도메인 크기나 가장자리 구성에 따라 변화하는가?
• RQ4 가장자리 원자 구조(붕소 또는 질소 종료)는 전하 밀도의 대칭성과 분포에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 이러한 이종구조물은 나노스케일 스핀트로닉스 응용에 적합한 내재된 반자성을 나타낼 수 있는가?

주요 결과

• 도메인 크기에 관계없이 이종접합의 가장자리에 전하 밀도가 국소화되며, n-ZZGBNNRs에서 붕소 종료로 인해 왼쪽 가장자리에서 더 강한 국소화가 관찰되었다.
• n-ZZGBNNRs의 오른쪽 가장자리는 질소 원자가 3개의 p-전자를 가지므로 전하 농도가 낮아지며, 이로 인해 비대칭적인 전하 분포가 나타났다.
• m-ZZGBNNRs는 가장자리에 대칭적인 전하 밀도 분포를 보이며, 균형 잡힌 가장자리 기여를 나타낸다.
• 그래핀의 금속성과 h-BN의 절연성에도 불구하고, 이종접합은 반자성 기저 상태를 나타낸다.
• 반자성 거동는 가장자리에서의 스핀 분리에 기인하며, 다양한 도메인 크기에서 안정적이므로 내재된 자기 정렬이 가능하다.
• 결과적으로 이러한 평면 이종접합은 나노스케일에서 스핀 분극 상태를 지속할 수 있으며, 스핀트로닉스 및 자기 옵티오일렉트로닉스 장치의 잠재적 응용 가능성을 시사한다.