[논문 리뷰] Direct Band Gap Semiconducting Holey Graphyne: Structure, Synthesis and Potential Applications

Xinghui Liu, Soo Min Cho외 6명|arXiv (Cornell University)|2019. 07. 08.

Graphene research and applications인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 인터페이셜 두 용매계에서의 Castro-Stephens 결합 반응을 통해 합성된 새로운 이차원 탄소 이소스피스인 구멍 뚫린 그래프아이닌(HGY)을 제안한다. HGY는 약 ~1.0 eV의 직접 띠 간격, 높은 정공 및 전자 이동도, 구조적 안정성을 보이며, 고이동도 탄소 기반 전자소자의 편형 반도체로 유망하다.

ABSTRACT

Here we report two-dimensional (2D) single-crystalline holey-graphyne (HGY) created an interfacial two-solvent system through a Castro-Stephens coupling reaction from 1,3,5-tribromo-2,4,6-triethynylbenzene. HGY is a new type of 2D carbon allotrope whose structure is comprised of a pattern of six-vertex and eight-vertex rings. The carbon-carbon 2D network of HGY is alternately linked between benzene rings and sp (carbon-carbon triple bond) bonding. The ratio of the sp over sp2 bonding is 50%. It is confirmed that HGY is stable by DFT calculation. The vibrational, optic, and electric properties of HGY are investigated theoretically and experimentally. It is a p-type semiconductor that embraces a natural direct band gap (~ 1.0 eV) with high hole mobility and electron mobility at room temperature. This report is expected to help develop a new types of carbon-based semiconductor devices with high mobility.

연구 동기 및 목표

• 반도체 응용을 위한 전자적 성질을 조절할 수 있는 새로운 이차원 탄소 이소스피스의 개발.
• 광전기기용으로 필수적인 탄소 기반 반도체에서 직접 띠 간격을 달성하는 데 도전.
• 제어된 다공성과 구조적 안정성을 갖춘 단일 결정성 구멍 뚫린 그래프아이닌의 규모화 가능한 합성 방법을 제시.
• HGY의 진동, 광학 및 전자적 성질을 이론적·실험적으로 특성화.
• HGY를 고이동도, 저차원 반도체 소자용 실현 가능한 후보로 확립.

제안 방법

• 1,3,5-트리브로모-2,4,6-트리에티닐벤젠 간의 Castro-Stephens 결합 반응을 이용해 2차원 탄소 네트워크를 형성.
• 인터페이셜 두 용매계를 활용해 구멍 뚫린 그래프아이닌의 제어된 단일 결정 성장을 실현.
• 구조적 안정성과 전자적 성질을 확인하기 위해 밀도함수이론(DFT) 계산 수행.
• HGY의 진동, 광학 및 전기적 반응에 대한 이론적 및 실험적 분석 수행.
• 전자 밴드 구조를 특성화하여 약 ~1.0 eV의 직접 띠 간격을 확인.
• 이론적 모델을 사용해 실온에서 높은 정공 및 전자 이동도를 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다공성 제어가 가능한 직접 띠 간격을 갖는 이차원 탄소 이소스피스를 합성할 수 있는가?
• RQ2 구멍 뚫린 그래프아이닌은 대기 조건에서 구조적 및 전자적 안정성을 유지하는가?
• RQ3 구멍 뚫린 그래프아이닌은 고속 전자소자에 적합한 높은 실내 이동도를 나타내는가?
• RQ4 구멍 뚫린 그래프아이닌의 진동 및 광학 성질은 다른 2차원 탄소 재료와 비교해 어떻게 다른가?
• RQ5 인터페이셜 두 용매법이 대면적 단일 결정성 구멍 뚫린 그래프아이닌의 합성을 가능하게 하는가?

주요 결과

• 인터페이셜 두 용매계에서의 Castro-Stephens 결합 반응을 통해 단일 결정성 2차원 탄소 이소스피스인 구멍 뚫린 그래프아이닌(HGY)이 성공적으로 합성되었다.
• DFT 계산 결과 HGY는 열역학적으로 안정적이며, sp 및 sp² 탄소 결합 비율이 50%로 균형을 이루고 있음을 확인했다.
• HGY는 약 1.0 eV의 직접 띠 간격을 나타내어 광전기적 응용에 적합하다.
• 실온에서 높은 정공 및 전자 이동도를 보이며, 고속 전자소자에 강력한 잠재력을 지닌다.
• 실험적 및 이론적 검증을 통해 진동 및 광학 성질이 확인되어 재료의 구조적 및 전자적 통합성에 기여한다.
• HGY는 독특한 다공성, 안정성, 반도체 행동의 조합을 지닌 편형 반도체로 확인되었다.