[论文解读] Edge state effects in graphene molecular junctions

Dmitry A. Ryndyk, Jan Bundesmann+2 more|arXiv (Cornell University)|May 14, 2012

Molecular Junctions and Nanostructures被引用 2

一句话总结

本研究调查了具有扶手型或锯齿形边缘的单层石墨烯电极在石墨烯分子结中的电子输运行为。通过计算边缘格林函数和电极自能，揭示了两个关键效应：由于石墨烯的线性态密度，能级展宽具有能量依赖性；以及由于边缘态导致的显著分子能级位移/分裂，尤其在锯齿形边缘处更为显著，从而在有限偏压和栅压下表现出独特的电导特性。

ABSTRACT

We consider plane junctions with graphene electrodes, which are formed by a single-level system (molecule) placed between the edges of two single-layer graphene half planes. We calculate the edge Green functions of the electrodes and the corresponding lead self-energies for the molecular levels in the cases of semi-infinite single-layer electrodes with armchair and zigzag edges. We show two main effects: first, a peculiar energy-dependent level broadening, reflecting at low energies the linear energy dependence of the bulk density of states in graphene, and, second, the shift and splitting of the molecular level energy, especially pronounced in the case of the zigzag edges due to the influence of the edge states. These effects give rise to peculiar conductance features at finite bias and gate voltages.

研究动机与目标

• 理解石墨烯电极中的边缘态如何影响分子结中的电子输运。
• 模拟具有扶手型和锯齿形边缘的单层石墨烯电极的分子结的电子结构。
• 分析在有限偏压和栅压下，边缘态对分子能级展宽和能量位移的影响。
• 识别由石墨烯基分子器件中边缘态效应引起的独特电导特征。

提出的方法

• 计算具有扶手型和锯齿形边缘的半无限单层石墨烯电极的边缘格林函数。
• 利用递归格林函数方法推导与石墨烯电极耦合的分子能级的电极自能。
• 将石墨烯体相态密度的线性能量依赖性纳入能级展宽机制。
• 分析由边缘态引起的分子能级位移与分裂，尤其在锯齿形边缘构型中表现显著。
• 采用非平衡格林函数形式体系计算有限偏压和栅压下的电导特性。
• 比较扶手型与锯齿形边缘电极的输运行为，以分离边缘态的贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 锯齿形石墨烯电极中的边缘态如何影响结中分子能级的能量展宽？
• RQ2 石墨烯边缘态中线性态密度在分子结电导中起到何种作用？
• RQ3 边缘态如何导致分子能级的位移与分裂，特别是在锯齿形边缘构型中？
• RQ4 由于边缘态效应，在有限偏压和栅压下会涌现出哪些独特的电导特征？
• RQ5 扶手型与锯齿形边缘几何结构如何差异化地影响分子能级耦合与输运特性？

主要发现

• 锯齿形石墨烯电极中的边缘态在低能区域显著引起分子能级的位移与分裂。
• 能级展宽表现出一种奇特的能量依赖性，与石墨烯体相能带结构的线性态密度相吻合。
• 在有限偏压和栅压下的电导特性强烈受边缘态贡献的影响，尤其在锯齿形边缘结中更为显著。
• 由于存在零能边缘态，该效应在锯齿形边缘体系中更为显著，这些边缘态与分子能级强耦合。
• 扶手形边缘体系中能级位移与分裂较不明显，反映了中间能隙边缘态的缺失。
• 边缘态与分子能级之间的相互作用导致了在传统结中不存在的非平凡输运特征。