[论文解读] Quantum Electronic Transport Across "Bite" Defects in Graphene Nanoribbons

Michele Pizzochero, Kristiāns Čerņevičs+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 26, 2020

Graphene research and applications参考文献 51被引用 26

一句话总结

本研究识别出‘咬痕’缺陷——即在底部外延合成的锯齿形石墨烯纳米带（AGNRs）边缘缺失苯环——是底部外延法合成的锯齿形石墨烯纳米带中占主导地位的结构无序，尤其在9-AGNRs中表现显著。通过结合扫描隧道显微镜与原子力显微镜技术，研究发现这些缺陷具有强烈的聚集倾向，严重扰乱量子电荷输运，特别是在能带边缘附近。第一性原理计算揭示了显著的电导抑制效应，并为纳米电子器件应用提供了降低其影响的设计准则。

ABSTRACT

On-surface synthesis has recently emerged as an effective route towards the atomically precise fabrication of graphene nanoribbons of controlled topologies and widths. However, whether and to which degree structural disorder occurs in the resulting samples is a crucial issue for prospective applications that remains to be explored. Here, we experimentally identify missing benzene rings at the edges, which we name "bite" defects, as the most abundant type of disorder in armchair nanoribbons synthesized by the bottom-up approach. First, we address their density and spatial distribution on the basis of scanning tunnelling microscopy and find that they exhibit a strong tendency to aggregate. Next, we explore their effect on the quantum charge transport from first-principles calculations, revealing that such imperfections substantially disrupt the conduction properties at the band edges. Finally, we generalize our theoretical findings to wider nanoribbons in a systematic manner, hence establishing practical guidelines to minimize the detrimental role of such defects on the charge transport. Overall, our work portrays a detailed picture of "bite" defects in bottom-up armchair graphene nanoribbons and assesses their effect on the performance of carbon-based nanoelectronic devices.

研究动机与目标

• 识别并表征底部外延法合成的锯齿形石墨烯纳米带中最常见的结构缺陷。
• 利用高分辨率显微技术确定这些缺陷的空间分布与聚集行为。
• 评估‘咬痕’缺陷对9-AGNRs中量子电子输运的影响。
• 建立实用的设计规则，以最小化碳基纳米电子器件中缺陷引起的性能退化。

提出的方法

• 在Au(111)表面上通过原位合成3’,6’-二碘-1,1’:2’,1”-三联苯（DITP）前驱体，制备9-AGNRs。
• 采用低温扫描隧道显微镜（STM）与非接触式原子力显微镜（NC-AFM），并使用CO修饰的探针，实现原子尺度缺陷成像。
• 对缺陷位置进行对相关函数分析，量化空间相关性与聚集倾向。
• 通过第一性原理密度泛函理论（DFT）计算，获得电子结构、电导与局域态密度。
• 利用Simmons隧穿公式拟合I-V特性，提取中间电压区间的输运行为。
• 将分析扩展至更宽的n-AGNRs（9 ≤ n ≤ 14），以推广缺陷效应在不同带宽下的普适性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在底部外延法合成的锯齿形石墨烯纳米带中，最丰富的结构缺陷类型是什么？
• RQ2 ‘咬痕’缺陷在空间上如何分布？是否表现出聚集倾向？
• RQ3 ‘咬痕’缺陷在9-AGNRs中对量子电荷输运的破坏程度如何，特别是在能带边缘附近？
• RQ4 缺陷AGNRs的电子与输运性质如何随带宽与缺陷构型变化？
• RQ5 理论模型能否用于预测并指导设计缺陷最小化的AGNRs，以提升器件性能？

主要发现

• 识别出‘咬痕’缺陷——即纳米带边缘缺失苯环——为底部外延法合成的9-AGNRs中最常见的结构无序，其密度为0.19 ± 0.10 nm⁻¹。
• 缺陷表现出强烈的聚集倾向，彼此间在约2 nm范围内形成缺陷对的概率显著升高，尤其当缺陷位于同一边缘时。
• 同一边缘上的缺陷数量约为对边边缘的两倍，表明缺陷形成具有边缘选择性。
• 第一性原理计算表明，‘咬痕’缺陷在能带边缘附近导致电导显著抑制，破坏了弹道输运特性。
• 缺陷9-AGNRs的电导与理想状态显著偏离，I-V曲线在中间电压区域能够拟合为I ∝ (V + V³)的Simmons公式。
• 对n-AGNRs（9 ≤ n ≤ 14）的系统分析表明，缺陷影响在窄带宽纳米带中最为严重，并据此提出可最小化其负面影响的设计规则。