[논문 리뷰] Twisted bilayer zigzag-graphene nanoribbon junctions with tunable edge states

Dongfei Wang, De‐Liang Bao외 15명|arXiv (Cornell University)|2022. 07. 04.

Graphene research and applications인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 스캐닝 턨널링 현미경 및 스펙트로스코피와 함께 밀도함수이론(DFT) 계산을 통한 확인을 통해, 비틀어진 이중층 절연체 구조의 나선형 그래핀 나노리본(TBZGNRs)에서 표면 상태를 비틀기 각도와 스택형상 오프셋을 통해 정밀하게 조절할 수 있음을 보여준다. 주요 발견은 평탄한 밴드에서 기인하는 근처의 영에너지 표면 상태가 에너지와 스핀 디세너지가 매우 조절 가능하다는 것으로, 2차원과 1차원 비틀기 전자학 시스템 간의 근본적인 차이를 드러낸다.

ABSTRACT

Stacking two-dimensional layered materials such as graphene and transitional metal dichalcogenides with nonzero interlayer twist angles has recently become attractive because of the emergence of novel physical properties. Stacking of one-dimensional nanomaterials offers the lateral stacking offset as an additional parameter for modulating the resulting material properties. Here, we report that the edge states of twisted bilayer zigzag graphene nanoribbons (TBZGNRs) can be tuned with both the twist angle and the stacking offset. Strong edge state variations in the stacking region are first revealed by density functional theory (DFT) calculations. We construct and characterize twisted bilayer zigzag graphene nanoribbon (TBZGNR) systems on a Au(111) surface using scanning tunneling microscopy. A detailed analysis of three prototypical orthogonal TBZGNR junctions exhibiting different stacking offsets by means of scanning tunneling spectroscopy reveals emergent near-zero-energy states. From a comparison with DFT calculations, we conclude that the emergent edge states originate from the formation of flat bands whose energy and spin degeneracy are highly tunable with the stacking offset. Our work highlights fundamental differences between 2D and 1D twistronics and spurs further investigation of twisted one-dimensional systems.

연구 동기 및 목표

• 1차원 비틀어진 나노물질에서 표면 상태의 조절 가능성을 탐색하는 것, 특히 이중층 절연체 나선형 그래핀 나노리본(ZGNRs)을 대상으로 한다.
• 스택형상 오프셋과 비틀기 각도가 1차원 시스템의 전자적 성질에 공동으로 미치는 영향을 조사하고, 2차원 비틀기 전자학과 대비한다.
• 스캐닝 터널링 현미경(STM)을 사용하여 금속 Au(111) 표면에 비틀어진 이중층 ZGNRs를 실험적으로 제작하고 특성화하는 것.
• 관측된 근처 영에너지 상태와 조절 가능한 에너지 및 스핀 디세너지를 갖는 평탄한 밴드의 형성 간의 연관성을 설정하는 것.
• 전자 구조 공학 측면에서 2차원과 1차원 비틀어진 시스템 간의 근본적인 차이를 부각하는 것.

제안 방법

• 비틀기 각도와 스택형상 오프셋에 따른 비틀어진 이중층 ZGNRs의 전자 구조 및 표면 상태 행동을 예측하기 위해 밀도함수이론(DFT) 계산을 사용하였다.
• 스캐닝 터널링 현미경(STM)을 사용하여 Au(111) 기판에 제어된 스택형상 구성을 갖는 비틀어진 이중층 ZGNR 접합부를 제작하고 이미징하였다.
• 국소 밀도 상태를 측정하고, 세 가지 표준적인 수직 접합부에서 근처 영에너지 표면 상태의 존재를 확인하기 위해 스캐닝 터널링 스펙트로스코피(STS)를 적용하였다.
• 세 가지 다른 스택형상 오프셋 구성이 선택되어 실험적 STS 데이터와 DFT 예측 밴드 구조를 비교 분석하였다.
• 실험적 STS 데이터와 DFT 시뮬레이션 간의 비교 분석을 통해 평탄한 밴드에서 기인하는 새로운 표면 상태의 기원을 확인하였다.
• 스택형상 오프셋과 비틀기 각도를 체계적으로 변화시켜 표면 상태 에너지와 스핀 디세너지의 조절 가능성을 맵핑하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스택형상 오프셋과 비틀기 각도가 이중층 절연체 나선형 그래핀 나노리본에서 표면 상태 성질에 공동으로 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 비틀어진 이중층 ZGNR 접합부에서 관측된 근처 영에너지 상태의 기원은 무엇인가?
• RQ3 1차원 비틀어진 시스템에서 구조적 매개변수를 통해 표면 상태의 에너지와 스핀 디세너지는 어느 정도까지 조절 가능한가?
• RQ4 1차원 비틀어진 ZGNRs의 전자적 성질은 2차원 비틀어진 반데르발스 헤테로구조와 어떻게 다를까?
• RQ5 제어된 스택형상으로 1차원 시스템에서 평탄한 밴드를 설계할 수 있으며, 그 관측 가능한 서명은 무엇인가?

주요 결과

• 스캐닝 터널링 스펙트로스코피를 통해 세 가지 표준적인 수직 비틀어진 이중층 ZGNR 접합부에서 근처 영에너지 표면 상태가 실험적으로 관측되었다.
• DFT 계산을 통해 스택형상 오프셋에 따라 이러한 표면 상태의 에너지와 스핀 디세너지가 매우 조절 가능하다는 것이 확인되었다.
• 새로 나타나는 표면 상태는 평탄한 밴드의 형성에서 기인하며, 특정한 스택형상 구성에 의해 안정화된다.
• DFT 계산은 다양한 스택형상 영역에서 표면 상태 특성의 강한 변화를 드러내어, 상호층 간 정렬에 매우 민감함을 시사한다.
• 이 연구는 1차원 비틀어진 시스템이 2차원 비틀기 전자학과는 다름없는 조절 메커니즘을 제공함을 보여주며, 특히 횡방향 스택형상 오프셋을 통해 가능하다.
• 실험적 결과와 이론적 결과가 강하게 일치하여, 스택형상 오프셋이 1차원 비틀기 전자학에서 핵심 제어 매개변수임을 검증한다.