[论文解读] Enhanced current rectification in graphene nanoribbons: Effects of geometries and orientations of nanopores

J. Majhi, Sudin Ganguly+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 9, 2021

Graphene research and applications参考文献 72被引用 9

一句话总结

本文通过设计具有特定几何形状和取向的纳米孔，实现了石墨烯纳米带（GNRs）中增强的整流效应。利用非平衡格林函数（NEGF）模拟，作者证明了三角形和椭圆形纳米孔通过在电子输运中引入强不对称性，显著提升了整流比——最高可达对称孔的10倍，且费米能级调节可进一步优化性能。

ABSTRACT

We discuss the possibility of getting rectification operation in graphene nanoribbon (GNR). For a system to be a rectifier, it must be physically asymmetric and we induce the asymmetry in GNR by introducing nanopores. The rectification properties are discussed for differently structured nanopores. We find that shape and orientation of the nanopores are critical and sensitive to the degree of current rectification. As the choice of Fermi energy is crucial for obtaining significant current rectification, explicit dependence of Fermi energy on the degree of current rectification is also studied for a particular shape of the nanopore. Finally, the role of nanopore size and different spatial distributions of the electrostatic potential profile across the GNR are discussed. Given the simplicity of the proposed method and promising results, the present proposition may lead to a new route of getting current rectification in different kinds of materials where nanopores can be formed selectively.

研究动机与目标

• 通过在石墨烯纳米带（GNRs）中引入纳米孔以实现结构不对称性，探索其作为纳米尺度整流器的潜力。
• 研究纳米孔的几何形状与取向如何影响GNRs中电流整流效率。
• 分析整流性能对费米能级的依赖性以及GNR中静电势分布的影响。
• 识别出可最大化整流比的最优纳米孔构型，实现简单且可扩展的设计。
• 为通过选择性纳米孔工程设计高性能全碳整流器提供理论基础。

提出的方法

• 采用非平衡格林函数（NEGF）形式结合紧束缚哈密顿量，模拟具有纳米孔的GNRs中的电子输运。
• 在正向与反向偏压下模拟电流-电压（I-V）特性，以量化整流比（RR = |I(V) - I(-V)| / |I(V) + I(-V)|）。
• 系统性地改变纳米孔的几何形状（圆形、椭圆形、方形、矩形、三角形、任意形、随机形）及其相对于GNR轴线的取向。
• 调节费米能级，以研究其对固定几何形状纳米孔整流性能的影响。
• 分析静电势的空间分布与透射谱，以关联结构不对称性与整流行为。
• 以ZGNR（锯齿型石墨烯纳米带）作为基础结构，以确保带隙打开，并在明确的一维系统中实现整流。

实验结果

研究问题

• RQ1 GNRs中纳米孔的形状与取向如何影响电流整流的程度？
• RQ2 何种纳米孔几何形状与取向可使GNRs的整流比最大化？
• RQ3 费米能级如何影响纳米孔修饰GNRs的整流性能？
• RQ4 GNR中静电势分布的变化如何影响整流效率？
• RQ5 能否通过GNRs中的纳米孔工程实现与分子二极管相当或更优的整流比？

主要发现

• 三角形纳米孔，特别是具有锯齿形边缘的等腰三角形和等边三角形，表现出最高的整流比——最高可达圆形或方形孔的10倍。
• 当椭圆形纳米孔的长轴沿GNR长度方向排列时，其整流性能显著优于横向排列的孔。
• 整流比强烈依赖于费米能级，在某些纳米孔几何形状下，带边附近表现出最佳性能。
• 由非中心或定向纳米孔引起的静电势空间分布不对称性，导致在偏压下产生明显的电流不对称性。
• 任意形与随机形纳米孔构型虽整流性能较低，但非可忽略，表明结构不对称性本身足以诱导整流效应。
• 在最优费米能级下，特定三角形与椭圆形纳米孔的整流比最大值超过0.8，表明其表现出强烈的整流行为。