[论文解读] Graphyne- and Graphdiyne-based Nanoribbons: Density Functional Theory Calculations of Electronic Structures

Lida Pan, Lizhi Zhang+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 19, 2012

Graphene research and applications被引用 4

一句话总结

本研究采用密度泛函理论（DFT）计算，探究了具有扶手型和锯齿型边缘的石墨炔和石墨二炔基纳米带的电子性质。所有纳米带均表现出半导体行为，其带隙可调，且随纳米带宽度增加而减小；锯齿型石墨炔纳米带表现出独特的阶梯式带隙行为，为纳米器件中的鲁棒电子调控提供了潜力。

ABSTRACT

We report on the configurations and electronic properties of graphyne and graphdiyne nanoribbons with armchair and zigzag edges investigated with first principles calculations. Our results show that all the nanoribbons are semiconductors with suitable band gaps similar to silicon. And their band gaps decrease as widths of nanoribbons increase. We also find that the band gap is at the Gamma point for all graphdiyne ribbons and it is at the X point for all graphyne ribbons. Of particular interest, the band gap of zigzag graphyne nanoribbons show a unique step effect as the width increases. This property is good for tuning of the energy band gap, as in a certain range of the ribbon width, the energy gap remains constant and in reality the edge cannot be as neat as that in a theoretic model.

研究动机与目标

• 理解具有不同边缘几何结构的石墨炔和石墨二炔基纳米带的电子结构。
• 研究纳米带宽度和边缘构型（扶手型与锯齿型）对带隙的影响。
• 通过电子性质调控，评估这些材料在纳米电子应用中的潜力。
• 探索在实际边缘缺陷条件下，特别是锯齿型构型下，带隙行为的鲁棒性。

提出的方法

• 采用从头算密度泛函理论（DFT）计算，模拟石墨炔和石墨二炔纳米带的电子结构。
• 构建并优化了具有扶手型和锯齿型边缘终止的结构，以确保稳定性。
• 计算能带结构和态密度，以分析电子性质并确定带隙位置。
• 系统评估了带隙随纳米带宽度变化的依赖关系，涵盖多种宽度。
• 通过分析锯齿型石墨炔纳米带中观察到的阶梯状行为，隐含考虑了边缘粗糙度的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 石墨炔和石墨二炔纳米带在扶手型与锯齿型边缘构型下的电子能带结构有何不同？
• RQ2 这些纳米带的带隙与纳米带宽度之间存在何种关系？
• RQ3 石墨二炔和石墨炔纳米带的带隙在布里渊区中的何处？
• RQ4 随着宽度增加，锯齿型石墨炔纳米带的带隙是否表现出阶梯状行为？
• RQ5 带隙对边缘缺陷的鲁棒性如何，特别是在锯齿型构型下？

主要发现

• 所有基于石墨炔和石墨二炔的纳米带均为半导体，其带隙与硅相当。
• 对于扶手型和锯齿型构型，带隙均随纳米带宽度增加而单调减小。
• 所有石墨二炔纳米带的带隙位于布里渊区的Gamma点。
• 所有石墨炔纳米带的带隙位于布里渊区的X点。
• 锯齿型石墨炔纳米带表现出独特的阶梯式带隙行为，带隙在一定宽度范围内几乎保持恒定，表明其对边缘无序具有鲁棒性。