[논문 리뷰] Interface of graphene nanopore and hexagonal boron nitride as a sensing device

Fábio A. L. de Souza, Wanderlã L. Scopel외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 02. 23.

Graphene research and applications참고 문헌 39인용 수 19

한 줄 요약

이 논문은 실시간 전도도 조절을 통해 분자 또는 DNA 서열을 고감도로 감지할 수 있는 나노센서로, 나노공이 있는 그래핀/hexagonal boron nitride (h-BN) 이종구조를 제안한다. DFT 및 비평형 그린 함수 방법을 사용하여, 나노공이 생성될 경우 h-BN 인터페이스에서 한 원자 너비의 탄소 체인으로 전류가 국소화됨을 보여주며, 전류 경로에 대한 향상된 제어를 가능하게 한다.

ABSTRACT

The atomically-precise controlled synthesis of graphene stripes embedded in hexagonal boron nitride opens up new possibilities for the construction of nanodevices with applications in sensing. Here, we explore properties related to electronic structure and quantum transport of a graphene nanoroad embedded in hexagonal boron nitride, using a combination of density functional theory and the non-equilibrium Green's functions method to calculate the electric conductance. We find that the graphene nanoribbon signature is preserved in the transmission spectra and that the local current is mainly confined to the graphene domain. When a properly sized nanopore is created in the graphene part of the system, the electronic current becomes restricted to a carbon chain running along the border with hexagonal boron nitride. This circumstance could allow the hypothetical nanodevice to become highly sensitive to the electronic nature of molecules passing through the nanopore, thus opening up ways for the detection of gas molecules, amino acids, or even DNA sequences based on a measurement of the real-time conductance modulation in the graphene nanoroad.

연구 동기 및 목표

• 제어된 나노공이 있는 h-BN 내에 내장된 그래핀 나노리본을 사용한 새로운 2차원 나노센서 설계.
• 그래핀 영역에 나노공이 존재할 경우 전자 운반성 및 전류 국소화에 미치는 영향 조사.
• 가스 감지 및 DNA 시퀀싱을 포함한 센서 응용 분야에서의 잠재력 탐색.
• 그래핀-h-BN 인터페이스에서 전류가 단일 원자 너비의 탄소 체인으로 국소화될 수 있는지 확인.
• 전기화학적 구멍 형성 방법을 사용하여 C-N 인터페이스 근처에 나노공 위치를 최적화하여 센서 성능을 향상시킬 수 있는지 평가.

제안 방법

• 하이브리드 그래핀/h-BN 시스템의 전자 구조를 모델링하기 위해 GGA-PBE 교환-상관 기능을 사용한 밀도함수이론(DFT)이 사용됨.
• 양자 운반성 특성 및 전기 전도도를 계산하기 위해 비평형 그린 함수(NEGF) 형식이 적용됨.
• 그래핀의 너비(w)와 h-BN의 너비(v)를 변수로 설정하고, 밴드 갭의 너비 의존성을 분석함.
• 다양한 편압 조건 하에서 전류 경로를 식별하기 위해 투과 스펙트럼 및 국소 전류 밀도를 계산함.
• 전도도 피크에 기여하는 전자 상태의 공간적 기원을 규명하기 위해 파동함수 국소화 분석을 수행함.
• 전기화학적 구멍 형성의 모의를 위해 h-BN 인터페이스에 인접한 그래핀 가장자리의 탄소 원자를 제거함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 그래핀 나노리본의 너비가 그래핀/h-BN 이종구조의 밴드 갭과 전자 운반성에 미치는 영향는 어떠한가?
• RQ2 이종구조의 그래핀 영역에 나노공이 도입될 경우 전류 경로는 어떻게 변화하는가?
• RQ3 나노공으로 인해 h-BN 인터페이스를 따라 한 원자 너비의 탄소 체인으로 전자 전류가 국소화될 수 있는가?
• RQ4 특히 페르미 수준 근처에서 나노공 존재 시 투과 스펙트럼은 어떻게 변화하는가?
• RQ5 이 시스템은 전도도 조절을 통해 이동하는 생체 분자를 감지하는 감도 높은 센서로 기능할 수 있는가?

주요 결과

• 그래핀 나노리본의 너비가 증가함에 따라 밴드 갭이 감소하여 반도체에서 영균열 반도체로의 전이가 발생함.
• 초기 상태에서는 전류가 에너지 창문에 따라 그래핀 나노리본의 중심과 가장자리 양쪽에서 흐를 수 있음.
• 나노공 생성 후 전류는 C-N 인터페이스 근처의 한 원자 너비의 탄소 체인으로 강하게 국소화되며, C-B 측 기여는 최소화됨.
• 에너지 범위 |1.25|에서 |0.25| eV 사이에서 전류가 0으로 억제됨으로써 강한 전자 블로킹 현상이 나타남.
• 특정 에너지(예: -0.1 eV 및 -0.5 eV)에서는 전류가 주로 인터페이스 원자를 따라 흐르며, 파동함수는 각각 C-N 및 C-B 결합 근처에 국소화됨.
• 이 시스템은 두 개의 구분되는 전도도 플랫폼을 나타냄: 중심 플랫폼에서는 T = 2G₀(주로 인터페이스 원자에 의해 지배됨)이고, 중심 영역에서는 T = 1G₀(주로 부스러기 그래핀 원자에 의해 지배됨).