[论文解读] Interface of graphene nanopore and hexagonal boron nitride as a sensing device

Fábio A. L. de Souza, Wanderlã L. Scopel+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 23, 2016

Graphene research and applicationsMaterials Science参考文献 39被引用 19

一句话总结

该论文提出了一种石墨烯/六方氮化硼（h-BN）异质结构，其带有纳米孔，可通过实时电导调制实现对分子或DNA序列的高灵敏度纳米传感。利用DFT和非平衡格林函数方法，研究显示当在h-BN界面处形成纳米孔时，电流被限制在单原子宽的碳链上，从而实现对电流路径的增强控制，实现选择性电子传感。

ABSTRACT

The atomically-precise controlled synthesis of graphene stripes embedded in hexagonal boron nitride opens up new possibilities for the construction of nanodevices with applications in sensing. Here, we explore properties related to electronic structure and quantum transport of a graphene nanoroad embedded in hexagonal boron nitride, using a combination of density functional theory and the non-equilibrium Green's functions method to calculate the electric conductance. We find that the graphene nanoribbon signature is preserved in the transmission spectra and that the local current is mainly confined to the graphene domain. When a properly sized nanopore is created in the graphene part of the system, the electronic current becomes restricted to a carbon chain running along the border with hexagonal boron nitride. This circumstance could allow the hypothetical nanodevice to become highly sensitive to the electronic nature of molecules passing through the nanopore, thus opening up ways for the detection of gas molecules, amino acids, or even DNA sequences based on a measurement of the real-time conductance modulation in the graphene nanoroad.

研究动机与目标

• 设计一种新型二维纳米传感器，采用嵌入h-BN中的石墨烯纳米带并带有可控纳米孔。
• 研究石墨烯区域中纳米孔的存在对电子输运和电流局域化的影响。
• 探索该混合系统在传感应用中的潜力，包括气体检测和DNA测序。
• 确定电流是否可被限制在石墨烯-h-BN界面处的单原子碳链上，以实现高灵敏度检测。
• 评估通过电化学孔形成方法将纳米孔位置精确调控至C-N界面附近以实现最佳传感性能的可行性。

提出的方法

• 采用广义梯度近似-佩克斯-布里尼-费尔德（GGA-PBE）交换相关泛函的密度泛函理论（DFT）来模拟混合石墨烯/h-BN系统的电子结构。
• 应用非平衡格林函数（NEGF）形式化方法计算量子输运性质和电导。
• 对石墨烯（w）和h-BN（v）的不同宽度进行建模，并分析带隙与宽度的关系。
• 计算透射谱和局域电流密度，以识别不同偏置条件下的电流路径。
• 进行波函数局域化分析，以确定对电导峰有贡献的电子态的空间起源。
• 通过移除邻近h-BN界面处石墨烯边缘的碳原子来模拟纳米孔，以类比电化学孔形成过程。

实验结果

研究问题

• RQ1 石墨烯纳米带的宽度如何影响石墨烯/h-BN异质结构的带隙和电子输运？
• RQ2 当在异质结构的石墨烯区域引入纳米孔时，电流路径会发生什么变化？
• RQ3 由于纳米孔的存在，电子电流是否可被限制在沿h-BN界面的单原子宽碳链上？
• RQ4 在存在纳米孔的情况下，透射谱（尤其是费米能级附近）如何变化？
• RQ5 该系统是否可通过电导调制实现对穿膜生物分子的高灵敏度传感？

主要发现

• 随着石墨烯纳米带宽度的增加，其带隙减小，导致从半导体向零带隙半导体的转变。
• 在原始系统中，电流可沿石墨烯纳米带的中心和边缘流动，具体取决于能量窗口。
• 纳米孔形成后，电流被强烈限制在C-N界面处的单原子宽碳链上，而C-B侧的贡献可忽略不计。
• 在|1.25|至|0.25| eV的能量范围内，透射被抑制至零，表明存在强烈的电子阻塞。
• 在特定能量点（如-0.1 eV和-0.5 eV），电流主要沿界面原子流动，波函数分别局域在C-N和C-B键附近。
• 该系统表现出两个明显的电导平台：中心平台T = 2G₀（主要由界面原子主导），以及中心区域T = 1G₀（主要由体相石墨烯原子主导）。