[논문 리뷰] Chemical scissors cut phosphorene nanostructures and their novel electronic properties

Xihong Peng, Qun Wei|arXiv (Cornell University)|2014. 05. 05.

2D Materials and ApplicationsMaterials Science참고 문헌 31인용 수 18

한 줄 요약

이 연구는 수소, 플루오르인, 염소 및 하이드록실 기가 인산화물과의 강한 공유 결합으로 인해 인산화물의 선택적 절단을 가능하게 하는 '화학 가위'로 작용함을 보여준다. 이는 인산화물 나노리본과 P-체인으로의 절단을 가능하게 한다. 제1원리 계산에 따르면 순수한 P-체인은 8×10⁵ m/s의 페르미 속도를 가지는 딜라 콘을 나타내며, 가장자리 기능화된 점탄형 나노리본은 금속성 또는 반도체 성질을 조절 가능하여 나노전자소자에서 새로운 전자적 응용 가능성을 제공한다.

ABSTRACT

Phosphorene, a recently fabricated two dimensional puckered honeycomb structure of phosphorus, showed promising properties for applications of nano-electronics. In this work, we report our findings of chemical scissors effects on phosphorene, using first principles density functional theory methods. It was found that several chemical species, such as H, F, Cl and OH group, can act effectively as scissors to cut phosphorene. Phosphorus chains and nanoribbons can be obtained using different surface coverage of the chemical species. The scissor effects of these species are resulted from their strong chemical bonds with the P atoms. Species such as O, S and Se were not able to cut phosphorene nanostructures due to their lack of strong binding with P. The electronic structure calculations of the produced P-chains reveal that the saturated chain is an insulator while the pristine chain demonstrates a Dirac point at X with a Fermi velocity of 8*10E5 m/s. The obtained zigzag phosphorene nanoribbons show either metallic or semiconducting behaviors, depending on the treatment of the edge P atoms.

연구 동기 및 목표

• 화학 종을 '가위'로 사용하여 인산화물을 저차원 나노구조로 정밀하게 절단할 수 있는지 탐색하기.
• 인산화물에 효과적으로 부착되어 구조적 균열을 유도할 수 있는 화학 종을 규명하기.
• 생성된 P-체인과 인산화물 나노리본의 전자적 성질을 조사하기.
• 점탄형 인산화물 나노리본의 전자적 거동을 조절하는 데 있어 가장자리 보호의 역할을 규명하기.

제안 방법

• 인산화물과 다양한 화학 종 간의 상호작용을 모델링하기 위해 제1원리 밀도함수이론(DFT) 계산을 사용하였다.
• 인산화물 표면에 H, F, Cl, OH, O, S, Se의 표면 피복도를 시뮬레이션하여 결합 강도와 절단 효율성을 평가하였다.
• 형성 에너지와 결합 특성을 분석하여 효과적인 '화학 가위'로 작용하는 종을 규명하였다.
• 생성된 P-체인과 나노리본의 전자 구조 계산을 수행하여 밴드 분산 및 페르미 속도를 평가하였다.
• 점탄형 인산화물 나노리본에서 순수한 상태와 보호된 가장자리 원자 간의 전자적 성질을 비교하였다.
• DFT 방법을 사용하여 밴드 구조를 계산하고 P-체인에서 딜라 콘의 존재 여부를 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떤 화학 종이 인산화물을 나노구조로 절단하는 데 효과적인 '화학 가위'로 작용할 수 있는가?
• RQ2 화학 종이 인산화물의 인 원자와의 결합 강도가 절단 능력에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 화학 기능화 후 생성된 인산화물 나노리브 및 P-체인의 전자적 성질은 무엇인가?
• RQ4 가장자리 보호는 점탄형 인산화물 나노리본의 전자적 거동에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 순수한 P-체인은 딜라 유사 전자 분산을 나타내는가? 그리고 그 페르미 속도는 얼마인가?

주요 결과

• H, F, Cl, OH 기는 인 원자와의 강한 공유 결합으로 인해 효과적으로 '화학 가위'로 작용하며, 인산화물의 제어된 절단이 가능하다.
• O, S, Se는 인 원자와의 결합 에너지가 약하기 때문에 균열을 유도하지 않는다.
• 순수한 인 체인은 브릴루아인 존의 X 점에서 딜라 점을 나타내며, 페르미 속도는 8×10⁵ m/s이다.
• 포화된 P-체인은 금속성 금속 갭이 없는 딜라 콘의 부재로 인해 절연체 성질을 띤다.
• 점탄형 인산화물 나노리본은 가장자리 인 원자의 보호 상태에 따라 금속성 또는 반도체 성질을 나타낸다.
• 선택적 화학 기능화를 통해 나노구조의 전자 구조를 높이 유연하게 조절할 수 있어, 새로운 2차원 전자 재료의 설계가 가능하다.