[논문 리뷰] C3N: a Two Dimensional Semiconductor Material with High stiffness,Superior Stability and Bending Poisson's Effect

Haidi Wang, Hong Wu외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 03. 26.

Graphene research and applications참고 문헌 48인용 수 28

한 줄 요약

이 연구는 뛰어난 기계적 및 전자적 성질을 지닌 이차원 반도체인 C3N을 제안한다. 밀도함수이론(DFT) 기반의 처음부터 계산된 방법을 통해 C3N가 초고강성(탄성율 1090.0 GPa), 2000 K까지의 열적 안정성, 그리고 독특한 굽힘 포아송 효과—면외 방향 굽힘에 따라 횡축 수축 현상—를 보임을 입증한다. 이는 높은 강도를 요구하는 나노전자소자 응용 분야에서 매우 유망하며, 1.09 eV의 적절한 간섭역간 틈새를 가진다.

ABSTRACT

Recently, a new type of two-dimensional layered material, i.e. C3N, has been fabricated by polymerization of 2,3-diaminophenazine and used to fabricate a field-effect transistor device with an on/off current ratio reaching 5.5E10 (Adv. Mater. 2017, 1605625). Here we have performed a comprehensive first-principles study mechanical and electronic properties of C3N and related derivatives. Ab inito molecular dynamics simulation shows that C3N monolayer can withstand high temperature up to 2000K. Besides high stability, C3N is predicted to be a superior stiff material with high Young's modulus (1090.0 GPa), which is comparable or even higher than that of graphene (1057.7 GPa). By roll-up C3N nanosheet into the corresponding nanotube, an out-of-plane bending deformation is also investigated. The calculation indicates C3N nanosheet possesses a fascinating bending Poisson's effect, namely, bending induced lateral contraction. Further investigation shows that most of the corresponding nanotubes also present high Young's modulus and semiconducting properties. In addition, the electronic properties of few-layer C3N nanosheet is also investigated. It is predicated that C3N monolayer is an indirect semiconductor (1.09 eV) with strongly polar covalent bonds, while the multi-layered C3N possesses metallic properties with AD-stacking. Due to high stability, suitable band gap and superior mechanical strength, the C3N nanosheet will be an ideal candidate in high-strength nano-electronic device applications.

연구 동기 및 목표

• C3N, 새로운 합성된 2차원 반도체 물질의 기계적 및 전자적 성질을 조사하기 위해.
• 극한 조건에서의 열적 안정성을 평가하기 위해.
• 특히 포아송 효과를 고려한 굽힘 변형에 따른 기계적 거동을 탐구하기 위해.
• 고강도, 유연한 나노전자소자 응용 분야에서의 잠재력을 평가하기 위해.
• 층수 증가에 따른 전자적 성질 변화를 분석하기 위해.

제안 방법

• C3N의 전자적 및 기계적 성질 분석을 위해 밀도함수이론(DFT) 기반의 처음부터 계산된 방법을 사용하였다.
• 고온에서의 열적 안정성을 평가하기 위해 아비엔도 분자역학(AIMD) 시뮬레이션을 수행하였다.
• 면외 방향 기계적 반응을 연구하기 위해 C3N 나노시트를 나노튜브로 말아 굽힘 변형을 모델링하였다.
• 횡축 수축 거동을 확인하기 위해 굽힘 상태에서 포아송 비를 계산하였다.
• 다층 구조에서 반도체에서 금속으로의 전이를 규명하기 위해 스택 구조(예: AD-스택)를 분석하였다.
• 전자적 성질을 특성화하기 위해 밴드 구조 및 상태 밀도를 계산하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 C3N 단층에서 극한 온도 조건에서의 열적 안정성은 어떠한가?
• RQ2 C3N의 탄성율은 얼마이며, 그래핀과 비교해 볼 때 어떻게 되는가?
• RQ3 C3N은 굽힘 포아송 효과를 보이며, 그 기계적 기원은 무엇인가?
• RQ4 층수 증가에 따라 C3N의 전자적 성질은 어떻게 변화하는가?
• RQ5 C3N 나노튜브는 높은 강성을 유지하고 반도체 성질을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• C3N 단층은 탄성율 1090.0 GPa를 보이며, 그래핀의 1057.7 GPa를 초월한다.
• 아비엔도 분자역학 시뮬레이션을 통해 2000 K까지 열적 안정성이 확인되었다.
• C3N는 독특한 굽힘 포아송 효과를 보이며, 면외 방향 굽힘에 따라 횡축 수축 현상을 나타낸다.
• 단층은 간섭역간 반도체이며, 틈새 에너지가 1.09 eV이다.
• AD-스택 방식을 취한 소수층 C3N는 금속적 성질을 나타낸다.
• C3N 나노튜브는 높은 탄성율과 반도체 성질을 유지하여, 융통성 있는 나노전자소자 응용에 적합함을 시사한다.