[論文レビュー] A DFT Study on the Electronic Structure of In-Plane Heterojunctions of Graphene and Hexagonal Boron Nitride Nanoribbons

Ramiro M. dos Santos, William Ferreira Giozza+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 7, 2020

Graphene research and applications参考文献 52被引用数 2

ひとこと要約

本DFT研究では、ドメインサイズを変化させたグラフェンと六方ボロンナイトライド（h-BN）ナノリボン間の面内ヘテロジャンクションの電子的および構造的性質を調査した。結果として、ドメインサイズに関係なく、電荷密度が端部に局在化することが示され、ヘテロジャンクションは内在的フェロ磁性を示す金属的性質を有しており、フラットオプトエレクトロニクス分野におけるナノスケール磁気的応用の可能性を示唆している。

ABSTRACT

The structural similarity between hexagonal boron nitride (h-BN) and graphene nanoribbons allows for the formation of heterojunctions with small chain stress. The combination of the insulation nature of the former and the quasi-metallic property of the latter makes this kind of heterostructure particularly interesting for flat optoelectronics. Recently, it was experimentally demonstrated that the shapes of the graphene and h-BN domains can be controlled precisely, and sharp graphene/h-BN interfaces can be created. Here, we investigated the electronic and structural properties of graphene (h-BN) nanoribbon domains of different sizes sandwiched between h-BN (graphene) nanoribbons forming in-plane heterojunctions. Different domain sizes for the zigzag termination were studied. Results showed that the charge density is localized in the edge of the heterojunctions, regardless of the domain size. These materials presented a metallic nature with a ferromagnetic behavior, which can be useful for magnetic applications at the nanoscale.

研究の動機と目的

• ドメインサイズを制御した面内グラフェン/h-BNヘテロジャンクションの電子的および構造的性質を調査すること。
• ドメインサイズおよび端部の終末状態（ジグザグ）が電荷分布および磁気的性質に与える影響を理解すること。
• これらのヘテロ構造がナノスケール磁気的およびオプトエレクトロニクス的応用に適している可能性を検討すること。
• 密度汎関数理論（DFT）を用いて、相反する物質のドメインを埋め込んだジグザグ型グラフェンおよびh-BNナノリボンの挙動をモデル化・シミュレーションすること。

提案手法

• GGA-PBE交換相関関数を用いたSIESTAコードを用いた密度汎関数理論（DFT）を採用した。
• コア電子相互作用を扱うために、ノルム保存型Troullier–Martins擬ポテンシャルを用いた。
• 二重ζ基底関数を用い、ブリユアンゾーンのサンプリングに15×15×1 kポイントグリッドを適用し、200 Ryのカットオフエネルギーを設定した。
• 力が10−3 eV/Å未満かつエネルギー収束が達成されるまで、完全な構造的緩和を実行した。
• スーパセル構造における層間相互作用を防ぐために、30 Åのバキュームスラブを用いた。
• 2つの構造をモデル化した：n-ZZGBNNRs（h-BNナノリボン内のグラフェンドメイン）およびm-ZZGBNNRs（グラフェンナノリボン内のh-BNドメイン）、ドメインサイズはジグザグライン1〜12本の範囲で変化させた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グラフェンまたはh-BNドメインのサイズは、面内グラフェン/h-BNヘテロジャンクションの電子構造にどのように影響するか？
• RQ2 これらのヘテロジャンクションにおける電荷密度はどこに局在化しているか？また、この局在化はドメインサイズに依存するか？
• RQ3 これらのヘテロジャンクションの磁気的基底状態は何か？ドメインサイズや端部構造に依存するか？
• RQ4 端部原子配置（B終端対N終端）は、電荷密度の対称性および分布にどのように影響するか？
• RQ5 これらのヘテロ構造は、ナノスケールスピントロニクス的応用に適した内在的フェロ磁性を示すことができるか？

主な発見

• ドメインサイズに関係なく、ヘテロジャンクションの端部に電荷密度が局在化しており、n-ZZGBNNRsではボロン終端によるため左端での局在化が顕著に観察された。
• n-ZZGBNNRsの右端では、三つのp電子を有する窒素原子のため、電荷濃度が低く抑えられ、非対称な電荷分布が生じた。
• m-ZZGBNNRsでは、端部に均等な電荷密度分布が観察され、両端の寄与がバランスしていることが示された。
• グラフェンの金属的性質とh-BNの絶縁体的性質にもかかわらず、ヘテロジャンクションはフェロ磁性基底状態を示した。
• フェロ磁性は端部におけるスピン分離に起因し、ドメインサイズにかかわらず安定しており、内在的磁気秩序が存在することが示唆された。
• これらの結果から、面内ヘテロジャンクションはナノスケールでスピン極化状態を支持できることを示しており、スピントロニクスおよび磁気的オプトエレクトロニクス素子への応用が可能であると考えられる。