[論文レビュー] A Hybrid Density Functional Study of Armchair Si and Ge Nanotubes

Prachi Pradhan, Asok Ray|ArXiv.org|Jul 28, 2005

Graphene research and applications参考文献 2被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、水素終末を有する有限クラスターを用いたハイブリッド密度汎関数理論を用いて、(3,3)〜(9,9)のアームチェア型SiおよびGeナノチューブの電子的および幾何学的性質を調査した。SiナノチューブはGeナノチューブよりもわずかに平坦で、より安定しており、最大のSiナノチューブの核結合エネルギーは3.138 eV/原子、Geナノチューブは2.770 eV/原子であった。また、調査された直径範囲において、アームチェア型構造のこれらのナノチューブは金属的ではなく、半導体的であることが示された。

ABSTRACT

First principles calculations based on hybrid density functional theory have been used to study the electronic and geometric properties of armchair silicon and germanium nanotubes ranging from A (3, 3) through A (9, 9). The approach used is the finite cluster approach with hydrogen termination to simulate the effects of longer tubes. A detailed comparison of the structures and stabilities of Si and Ge nanotubes has been performed and the dependence of the HOMO- LUMO or band gaps on the tube diameters has been investigated. Silicon nanotubes appear to be less-puckered and more stable compared to germanium nanotubes. The largest silicon nanotube studied has a cohesive energy of 3.138eV/atom to be compared with the cohesive energy of 2.770eV/atom for the corresponding germanium nanotube. Contrary to some published results in the literature, silicon nanotubes do not appear to be metallic for the cases studied in the armchair configuration.

研究の動機と目的

• 第一原理計算を用いて、アームチェア型ケイ素およびゲルマニウムナノチューブの構造的および電子的性質を調査すること。
• さまざまな直径におけるSiおよびGeナノチューブの相対的安定性を比較すること。
• アームチェア型構造におけるHOMO-LUMOギャップがチューブ径にどのように依存するかを検討すること。
• 文献において対立する報告がなされている、アームチェア型Siナノチューブの金属的・半導体的性質の解明。
• 核結合エネルギーおよび幾何学的パリティを安定性の指標として評価すること。

提案手法

• SiおよびGeナノチューブの有限クラスターに水素終末を施し、拡張系を模擬するためにハイブリッド密度汎関数理論（B3LYP）を適用した。
• H終末を施した有限クラスター法により、より長い周期的ナノチューブの電子的効果を模擬した。
• 平衡幾何構造およびパリティ角を決定するために構造最適化を実施した。
• 最適化された構造からHOMO-LUMOギャップおよび核結合エネルギーを計算した。
• (3,3)〜(9,9)の直径範囲でSiおよびGeナノチューブの比較分析を実施した。
• 熱力学的安定性を評価するために、原子あたりの核結合エネルギーを計算した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アームチェア型SiおよびGeナノチューブの幾何学的構造および安定性は、(3,3)〜(9,9)の直径範囲でどのように比較されるか？
• RQ2 アームチェア型SiおよびGeナノチューブのHOMO-LUMOギャップは、チューブ径にどのように依存するか？
• RQ3 調査された直径範囲において、アームチェア型Siナノチューブは金属的か、半導体的か？
• RQ4 SiおよびGeナノチューブのパリティ度はどのように異なり、安定性にどのような意味を持つのか？
• RQ5 SiおよびGeナノチューブの核結合エネルギーはそれぞれいくらか？また、構造的安定性とどのように相関するか？

主な発見

• すべての調査された直径範囲において、ケイ素ナノチューブはゲルマニウムナノチューブよりもパリティが小さく、構造的安定性が高かった。
• 最大のケイ素ナノチューブ（9,9）の核結合エネルギーは3.138 eV/原子であり、対応するゲルマニウムナノチューブの2.770 eV/原子よりも顕著に高かった。
• (3,3)〜(9,9)の直径範囲において、アームチェア型Siナノチューブは、一部の文献で示唆されたように金属的ではなく、半導体的であった。
• HOMO-LUMOギャップはチューブ径が増加するにつれて減少し、電子的性質がチューニング可能であることを示した。
• 核結合エネルギーの傾向から、Siナノチューブは同サイズのGeナノチューブよりも熱力学的により安定であることが確認された。
• 水素終末は、拡張ナノチューブの電子構造を効果的にモデル化でき、安定性およびバンドギャップの信頼性ある比較を可能にした。