[논문 리뷰] The organic functional group effect on the electronic structure of graphene nano-ribbon: A first-principles study

Nuo Liu, Zheqi Zheng외 6명|arXiv (Cornell University)|2013. 02. 01.

Graphene research and applications참고 문헌 52인용 수 3

한 줄 요약

이 첫 번째 원리 연구는 복합체형 그래핀 나노리본(aGNRs-f)의 페닐메틸(CH2C6H5) 기능화가 전자적 성질에 미치는 영향을 조사하여, 중간 급성 상태가 없는 직접 급성 갭을 규명하였다. 기능화 기능기 농도와 나노리본 폭을 조절함으로써 넓은 파장 범위(750–93924 nm)에서 고효율 옵티오일렉트로닉 장치를 위한 정밀한 급성 갭 공학이 가능함을 보여주었다.

ABSTRACT

We report a first-principles study of the electronic structure of functionalized graphene nano-ribbon (aGNRs-f) by organic functional group (CH2C6H5) and find that CH2C6H5 functionalized group does not produce any electronic states in the gap and the band gap is direct. By changing both the density of the organic functional group and the width of the aGNRs-f, a band gap tuning exhibits a fine three family behavior through the side effect. Meanwhile, the carriers at conduction band minimum and valence band maximum are located in both CH2C6H5 and aGNR regions when the density of the CH2C6H5 is big; while they distribute dominantly in aGNR conversely. The band gap modulation effects make the aGNRs-f good candidates with high quantum efficiency and much more wavelength choices range from 750 to 93924 nm both for lasers, light emitting diodes and photo detectors due to the direct band gap and small carrier effective masses.

연구 동기 및 목표

• 유기 기능기, 특히 CH2C6H5가 복합체형 그래핀 나노리본(aGNRs)의 전자 구조에 미치는 영향를 이해하기 위해.
• 기능기 농도와 나노리본 폭이 급성 갭 공학에 미치는 영향를 조사하기 위해.
• 도체 밴드와 가소 밴드에서의 전하 운반자의 공간 분포를 규명하기 위해.
• 기능화된 aGNRs가 고효율 옵티오일렉트로닉 재료로서의 잠재력을 평가하기 위해.
• 장치 응용을 위한 최소한의 운반자 효과 질량을 갖는 직접 급성 갭을 달성할 수 있는지 탐색하기 위해.

제안 방법

• 전자 구조 계산을 위해 일반화된 기울기 근사(GGA) 내에서 밀도함수이론(DFT)을 사용하였다.
• 다양한 폭과 CH2C6H5 기능기 농도를 가진 aGNRs를 모델링하여 다양한 도핑 및 표면 기능화 조건을 시뮬레이션하였다.
• 전자 전이와 갭 특성 분석을 위해 밴드 구조와 상태 밀도(DOS)를 계산하였다.
• 도체 밴드 최소점(CBM)과 가소 밴드 최대점(VBM)에서 파동함수의 공간 분포를 분석하여 운반자 국소화를 규명하였다.
• 밴드 가장자리의 곡률에서 유도된 효과 질량 근사를 사용하여 운반자 효과 질량을 추정하였다.
• 기능기 농도와 나노리본 폭의 체계적 변화를 통해 급성 갭 조절 거동을 관찰하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CH2C6H5 기능화는 aGNRs의 급성 갭 내에 중간 급성 상태를 유도하는가?
• RQ2 기능기 농도와 나노리본 폭의 변화에 따라 aGNRs-f의 급성 갭은 어떻게 변화하는가?
• RQ3 다양한 기능화 수준에서 전하 운반자는 기능기 또는 aGNR 코어 영역에 주로 국소화되는가?
• RQ4 CH2C6H5 기능화된 aGNRs의 급성 갭 성격은 직접적인지 간접적인가?
• RQ5 aGNRs-f의 전자 구조는 넓은 적외선에서 가까운 적외선 파장 범위에서 높은 양자 효율성을 지원하도록 조절 가능한가?

주요 결과

• CH2C6H5 기능화는 급성 갭 내에 전자 상태를 유도하지 않으며, 깔끔한 갭 구조를 유지한다.
• 모든 연구된 구성에서 급성 갭은 직접적인 성격을 유지하여 효율적인 복합재결합을 가능하게 한다.
• 급성 갭 조절은 기능기 농도와 나노리본 폭에 따라 세 가지 유형의 행동을 보이며, 각각 다른 경향을 나타낸다.
• 고기능기 농도에서는 CBM과 VBM의 운반자가 CH2C6H5 및 aGNR 영역 전반에 걸쳐 분산되어 있으며, 저농도에서는 주로 aGNR 영역에 국소화되어 있다.
• 750 nm에서 93,924 nm까지의 넓은 사용 가능한 파장 범위를 지원하여 레이저, LED 및 광검출기 등에 적합하다.
• 직접 급성 갭 영역에서 작은 운반자 효과 질량은 높은 운반자 이동도와 옵티오일렉트로닉 장치에서의 높은 양자 효율 잠재력을 시사한다.