[论文解读] R-graphyne: a new two-dimension carbon allotrope with versatile Dirac-like point in nanoribbons

Wen‐Jin Yin, Yuee Xie+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 10, 2016

Graphene research and applications被引用 4

一句话总结

本文提出了一种新型二维碳同素异形体R-石乙炔，其具有四元环和乙炔键连接结构，其纳米带表现出随宽度变化的能带隙振荡，呈现半导体与金属性行为的交替。关键发现是，在具有半整数单元胞的锯齿形边缘纳米带中，由于亚晶格对称性和中心反演对称性，出现了类似狄拉克费米子的准粒子，揭示了碳纳米结构中狄拉克点形成的一种新机制，具有潜在的纳米电子学应用前景。

ABSTRACT

A novel two-dimensional carbon allotrope, rectangular graphyne (R-graphyne) with tetra-rings and acetylenic linkages, is proposed by first-principles calculations. Although the bulk R-graphyne exhibits metallic property, the nanoribbons of R-graphyne show distinct electronic structures from the bulk. The most intriguing feature is that band gaps of R-graphene nanoribbons oscillate between semiconductor and metal as a function of width. Particularly, the zigzag edge nanoribbons with half-integer repeating unit cell exhibits unexpected Dirac-like fermions in the band structures. The Dirac-like fermions of the R-graphyne nanoribbons originate from the central symmetry and two sub-lattices. The extraordinary properties of R-graphene nanoribbons greatly expand our understanding on the origin of Dirac-like point. Such findings uncover a novel fascinating property of nanoribbons, which may have broad potential applications for carbon-based nano-size electronic devices.

研究动机与目标

• 提出一种新型二维碳同素异形体R-石乙炔，其具有由四元环和乙炔键连接构成的独特晶格结构。
• 研究R-石乙炔纳米带的电子性质，特别是其随宽度变化的能带结构。
• 探讨在何种条件下R-石乙炔纳米带中会出现类似狄拉克费米子的准粒子。
• 理解亚晶格对称性和中心反演对称性如何影响该体系中狄拉克点的形成。
• 评估R-石乙炔纳米带在未来的碳基纳米尺度电子器件中的潜力。

提出的方法

• 采用第一性原理密度泛函理论（DFT）计算来模拟R-石乙炔的电子结构。
• 研究了具有不同宽度和边缘构型的纳米带，重点关注锯齿形和扶手椅形结构。
• 计算了电子能带结构，以分析能带隙随纳米带宽度的变化规律。
• 通过群论对称性分析，识别了亚晶格和中心反演对称性在稳定狄拉克点中的作用。
• 通过检查特定纳米带构型中费米能级附近的线性色散关系，确认了类似狄拉克费米子的存在。
• 理论分析将类似狄拉克行为的出现归因于晶格几何结构与电子对称性的协同作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 R-石乙炔纳米带的电子结构是什么？其随纳米带宽度和边缘类型如何变化？
• RQ2 在何种条件下，R-石乙炔纳米带中会出现类似狄拉克费米子的准粒子？
• RQ3 亚晶格对称性和中心反演对称性如何影响R-石乙炔中狄拉克点的形成？
• RQ4 R-石乙炔纳米带中半导体与金属性行为之间振荡的能带隙行为的起源是什么？
• RQ5 由于其独特的晶格拓扑结构，R-石乙炔是否能支持拓扑保护态或新颖的量子现象？

主要发现

• 由于其独特的四元环和乙炔键连接结构，R-石乙炔的体相表现出金属性。
• R-石乙炔纳米带的能带隙随纳米带宽度变化，在半导体与金属性行为之间呈现振荡。
• 具有半整数个重复单元胞的锯齿形边缘纳米带在费米能级处存在类似狄拉克费米子的准粒子。
• 这些纳米带中的狄拉克点源于晶格中中心对称性和两种不同亚晶格的共同作用。
• R-石乙炔纳米带的电子结构高度可调，可在单一材料体系中实现半导体与金属性行为。
• 本工作揭示了一种在碳基二维材料中形成狄拉克点的新机制，与石墨烯不同，对低维电子学具有重要意义。