[论文解读] Chemical scissors cut phosphorene nanostructures and their novel electronic properties

Xihong Peng, Qun Wei|arXiv (Cornell University)|May 5, 2014

2D Materials and ApplicationsMaterials Science参考文献 31被引用 18

一句话总结

本研究证明，氢、氟、氯和羟基等基团可通过与磷原子形成强共价键，作为“化学剪刀”选择性地将黑磷切割成黑磷纳米带和P-链。从头算计算表明，原始P-链具有狄拉克锥，费米速度为8×10⁵ m/s；而边缘功能化的锯齿形纳米带则表现出可调的金属性或半导体性，使其在纳米电子学中具有新颖的电子应用潜力。

ABSTRACT

Phosphorene, a recently fabricated two dimensional puckered honeycomb structure of phosphorus, showed promising properties for applications of nano-electronics. In this work, we report our findings of chemical scissors effects on phosphorene, using first principles density functional theory methods. It was found that several chemical species, such as H, F, Cl and OH group, can act effectively as scissors to cut phosphorene. Phosphorus chains and nanoribbons can be obtained using different surface coverage of the chemical species. The scissor effects of these species are resulted from their strong chemical bonds with the P atoms. Species such as O, S and Se were not able to cut phosphorene nanostructures due to their lack of strong binding with P. The electronic structure calculations of the produced P-chains reveal that the saturated chain is an insulator while the pristine chain demonstrates a Dirac point at X with a Fermi velocity of 8*10E5 m/s. The obtained zigzag phosphorene nanoribbons show either metallic or semiconducting behaviors, depending on the treatment of the edge P atoms.

研究动机与目标

• 探索利用化学物种作为“剪刀”精确切割黑磷以形成低维纳米结构的可行性。
• 识别哪些化学物种能有效与黑磷结合并诱导结构断裂。
• 研究生成的P-链和黑磷纳米带的电子性质。
• 确定边缘钝化在调控锯齿形黑磷纳米带电子行为中的作用。

提出的方法

• 采用从头算密度泛函理论（DFT）计算，模拟黑磷与各种化学物种之间的相互作用。
• 模拟H、F、Cl、OH、O、S和Se在黑磷表面的覆盖情况，以评估其结合能和切割效率。
• 通过分析生成能和键合特性，确定哪些物种可作为有效的“化学剪刀”。
• 对生成的P-链和纳米带进行电子结构计算，以评估能带色散和费米速度。
• 比较锯齿形黑磷纳米带中原始与钝化边缘原子的电子性质。
• 使用DFT方法计算能带结构，并确认P-链中是否存在狄拉克锥。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些化学物种能有效作为“化学剪刀”将黑磷切割成纳米结构？
• RQ2 化学物种与磷原子的结合能强弱如何影响其断裂能力？
• RQ3 化学功能化后生成的黑磷纳米带和P-链的电子性质是什么？
• RQ4 边缘钝化如何影响锯齿形黑磷纳米带的电子行为？
• RQ5 原始P-链是否表现出类似狄拉克的电子色散？其费米速度是多少？

主要发现

• H、F、Cl和OH基团因与磷原子形成强共价键，可有效作为“化学剪刀”，实现黑磷的可控切割。
• O、S和Se因与磷原子结合能弱，无法诱导断裂。
• 原始磷链在布里渊区的X点处具有狄拉克点，费米速度为8×10⁵ m/s。
• 饱和P-链因缺乏无能隙的狄拉克锥而表现为绝缘性。
• 锯齿形黑磷纳米带的电子行为取决于边缘磷原子的钝化状态，可表现为金属性或半导体性。
• 通过选择性化学功能化，可高度调控纳米结构的电子结构，从而实现新型二维电子材料的设计。