[논문 리뷰] Graphyne- and Graphdiyne-based Nanoribbons: Density Functional Theory Calculations of Electronic Structures

Lida Pan, Lizhi Zhang외 3명|arXiv (Cornell University)|2012. 11. 19.

Graphene research and applications인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 밀도함수이론(DFT) 계산을 이용해 구연과 및 구라디아인 기반 나노리본의 전자적 성질을 아치형 및 절곡형 표면을 가진 경우에 대해 조사한다. 모든 나노리본은 밴드 갭을 조절할 수 있는 반도체 성질을 보이며, 리본 너비가 증가함에 따라 밴드 갭이 감소한다. 특히 절곡형 구연나리본은 고유한 단계별 밴드 갭 행동을 보이며, 나노스케일 장치에서 강력한 전자적 조정 가능성을 제공한다.

ABSTRACT

We report on the configurations and electronic properties of graphyne and graphdiyne nanoribbons with armchair and zigzag edges investigated with first principles calculations. Our results show that all the nanoribbons are semiconductors with suitable band gaps similar to silicon. And their band gaps decrease as widths of nanoribbons increase. We also find that the band gap is at the Gamma point for all graphdiyne ribbons and it is at the X point for all graphyne ribbons. Of particular interest, the band gap of zigzag graphyne nanoribbons show a unique step effect as the width increases. This property is good for tuning of the energy band gap, as in a certain range of the ribbon width, the energy gap remains constant and in reality the edge cannot be as neat as that in a theoretic model.

연구 동기 및 목표

• 다양한 표면 기하학을 가진 구연 및 구라디아인 기반 나노리본의 전자 구조를 이해하기 위해.
• 리본 너비와 표면 구성(아치형 대비 절곡형)이 밴드 갭에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 전자적 성질 조절을 통해 이러한 재료의 나노전자 응용 잠재성을 평가하기 위해.
• 특히 절곡형 구성에서 실재적인 표면 결함 조건 하에서 밴드 갭 행동의 강건성(내구성)을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 구연 및 구라디아인 나노리본의 전자 구조를 모델링하기 위해 최초 원리 밀도함수이론(DFT) 계산을 활용하였다.
• 아치형 및 절곡형 표면 종료를 가진 구조를 구축하고 안정성을 위해 최적화하였다.
• 전자적 성질 분석 및 밴드 갭 위치 규명을 위해 밴드 구조와 상태 밀도를 계산하였다.
• 여러 너비에서 리본 너비에 따른 밴드 갭 의존성을 체계적으로 평가하였다.
• 절곡형 구연나리본에서 관찰된 단계적 행동을 바탕으로, 표면 거칠기의 영향을 암묵적으로 고려하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 구연 및 구라디아인 나노리본의 전자 밴드 구조는 아치형과 절곡형 표면 구성 간에 어떻게 다를까?
• RQ2 이 나노리본에서 리본 너비와 밴드 갭 간의 관계는 어떠한가?
• RQ3 구라디아인 및 구연 나노리본의 브릴루앙 존에서 밴드 갭은 어디에 위치하는가?
• RQ4 절곡형 구연나리본의 밴드 갭은 너비가 증가함에 따라 단계적 행동을 보이는가?
• RQ5 특히 절곡형 구성에서 표면 결함에 대해 밴드 갭은 얼마나 강건한가?

주요 결과

• 모든 구연 및 구라디아인 기반 나노리본은 실리콘과 유사한 밴드 갭을 가지는 반도체 성질을 보인다.
• 아치형 및 절곡형 구성 모두에서 리본 너비가 증가함에 따라 밴드 갭은 단조롭게 감소한다.
• 모든 구라디아인 나노리본에서 밴드 갭은 브릴루앙 존의 감마 점(Gamma point)에 위치한다.
• 모든 구연 나노리본에서 밴드 갭은 브릴루앙 존의 엑스 점(X point)에 위치한다.
• 절곡형 구연나리본은 고유한 단계별 밴드 갭 행동을 보이며, 특정 너비 범위에서 갭 값이 거의 일정하게 유지되어 표면 불순물에 대한 내성을 시사한다.