[논문 리뷰] Enhanced current rectification in graphene nanoribbons: Effects of geometries and orientations of nanopores

J. Majhi, Sudin Ganguly외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 12. 09.

Graphene research and applications참고 문헌 72인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 기하학적 형태와 정렬 방향을 조절한 나노공을 통해 그래핀 나노리본(GNRs)의 정류 성능을 향상시키는 것을 제안한다. 비평형 그린 함수(NEGF) 시뮬레이션을 통해 저자들은 삼각형 및 타원형 나노공이 전자 이동성의 강한 비대칭성을 유도함으로써 대칭적인 나노공보다 최대 10배 높은 정류 비율을 달성함을 입증한다. 또한 페르미 에너지 조절을 통해 성능을 추가로 최적화할 수 있다.

ABSTRACT

We discuss the possibility of getting rectification operation in graphene nanoribbon (GNR). For a system to be a rectifier, it must be physically asymmetric and we induce the asymmetry in GNR by introducing nanopores. The rectification properties are discussed for differently structured nanopores. We find that shape and orientation of the nanopores are critical and sensitive to the degree of current rectification. As the choice of Fermi energy is crucial for obtaining significant current rectification, explicit dependence of Fermi energy on the degree of current rectification is also studied for a particular shape of the nanopore. Finally, the role of nanopore size and different spatial distributions of the electrostatic potential profile across the GNR are discussed. Given the simplicity of the proposed method and promising results, the present proposition may lead to a new route of getting current rectification in different kinds of materials where nanopores can be formed selectively.

연구 동기 및 목표

• 나노공을 통해 구조적 비대칭성을 도입하여 그래핀 나노리본(GNRs)이 나노스케일 정류기로 활용될 잠재성을 탐색하기 위해.
• 나노공의 기하학적 형태와 정렬이 GNR 내 전류 정류 효율에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• GNR 전역의 페르미 에너지 및 전기적 잠재력 분포에 따른 정류의 의존성을 분석하기 위해.
• 간단하고 확장 가능한 설계에서 정류 비율을 최대화하는 데 최적의 나노공 구성 요소를 규명하기 위해.
• 선택적 나노공 공학을 통해 고성능의 전체 탄소 기반 정류기를 설계하기 위한 이론적 기초를 제공하기 위해.

제안 방법

• GNR 내 전자 이동을 모델링하기 위해 비평형 그린 함수(NEGF) 형식과 타이트 바인딩 해밀토니안을 조합하여 사용하기 위해.
• 정류 비율(RR = |I(V) - I(-V)| / |I(V) + I(-V)|)를 정량화하기 위해 정방향 및 역방향 편압 조건에서 전류-전압(I-V) 특성 시뮬레이션 수행하기 위해.
• GNR 축에 대해 상대적인 나노공 기하학(원형, 타원형, 정사각형, 직사각형, 삼각형, 임의, 무작위)과 정렬을 체계적으로 변화시키기 위해.
• 고정된 나노공 형상에서 페르미 에너지 조절을 통해 정류 성능에 미치는 영향을 분석하기 위해.
• 구조적 비대칭성과 정류 행동 간의 상관관계를 규명하기 위해 전기적 잠재력 분포 및 전송 스펙트럼의 공간 분포 분 析하기 위해.
• 밴드 갭 형성과 1차원 시스템에서의 정류 가능성을 보장하기 위해 기초로 제이그재그 그래핀 나노리본(ZGNR)을 사용하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GNR 내 나노공의 형태와 정렬이 전류 정류 정도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 GNR 내 정류 비율을 최대화하기 위해 최적의 나노공 기하학 및 정렬은 무엇인가?
• RQ3 페르미 에너지는 나노공가 가공된 GNR 내 정류 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 GNR 전역에서 전기적 잠재력 분포의 변화가 정류 효율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 GNR 내 나노공 공학을 통해 분자 다이오드의 수준과 동등하거나 이를 초월하는 정류 비율을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 특히 제이그재그 모서리가 있는 이sov각형 및 정삼각형 나노공은 원형 또는 정사각형 나노공보다 최대 10배 높은 정류 비율을 나타낸다.
• GNR 길이 방향에 주축이 정렬된 타원형 나노공은 너비 방향으로 정렬된 경우보다 현저히 향상된 정류 성능을 보인다.
• 정류 비율은 페르미 에너지에 크게 의존하며, 특정 나노공 기하학에서는 밴드 에지 근처에서 최적의 성능을 기록한다.
• 중심에서 벗어나 있거나 방향성이 있는 나노공에 의해 유도된 전기적 잠재력의 비대칭적 공간 분포는 편압 조건에서 뚜렷한 전류 비대칭성을 유도한다.
• 임의 및 무작위 나노공 구성 요소는 낮지만 무시할 수 없는 정류 성능을 보이며, 이는 구조적 비대칭성 자체가 정류를 유도하는 데 충분함을 시사한다.
• 특정 삼각형 및 타원형 나노공에서 최적의 페르미 에너지 조건에서 관측된 최대 정류 비율은 0.8를 초월하여 강한 정류 행동을 나타낸다.