The influence of the vacancy and the external electric field in the electronic structure and the thermoelectric of monolayer armchair graphene nanoribbons
,
and
Article Sidebar
Full Text: 
PDF
Abstract
In this study, the monolayer graphene nanoribbons (AGNRs) under the influence of vacancy and reconstruction to form a 5-9 ring were calculated. The Tight binding (TB) method is used to investigate the energy bands of the material without and with the presence of an external electric field. Besides, the thermoelectric based on Green’s function formalism is also examined. The results with M = 15 show that the band gap of the material is divided into two gaps located around the Fermi level. Depending on the different defect positions, the gap size is going to change. In particular, under the influence of the transverse electric field, the band gap of the material is controlled, leading to a change in density of states (DOS) and Seebeck coefficient S of the material. Therefore, the combination of defects and external electric fields has great potential to lead graphene materials toward future applications.
Tóm tắt
Trong nghiên cứu này, cấu trúc armchair graphene đơn lớp nanoribbons (AGNRs) dưới ảnh hưởng của khuyết và tái cấu trúc tạo thành vòng 5-9 được đưa vào tính toán. Phương pháp gần đúng liên kết mạnh (TB) được sử dụng để khảo sát cấu trúc vùng năng lượng của vật liệu khi không có và có sự xuất hiện của điện trường ngoài. Bên cạnh đó, bài toán nhiệt điện cũng được thực hiện dựa trên phương pháp luận hàm Green. Kết quả khảo sát với M = 15 cho thấy rằng, độ rộng vùng cấm của vật liệu được chia thành hai vùng cấm con nằm quanh mức Fermi. Tùy thuộc vào các vị trí khuyết khác nhau, độ rộng vùng cấm sẽ thay đổi. Đặc biệt, dưới tác động của điện trường song song, độ rộng vùng cấm của vật liệu được điều khiển, dẫn đến sự thay đổi mật độ trạng thái (DOS) và hệ số Seebeck S của vật liệu. Như vậy, sự kết hợp của khuyết và điện trường ngoài mang nhiều tiềm năng để đưa vật liệu graphene hướng đến những ứng dụng trong tương lai.
Article Details
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.
References
Chen, Z., Lin, Y., Rooks, M. J., & Avouris, P. (2007). Graphene nano-ribbon electronics. Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures, 40, 228-232. https://doi.org/10.1016/j.physe.2007.06.020
Cresti, A., Grosso, G., & Parravicini, G. P. (2008). Valley-valve effect and even–odd chain parity in p-n graphene junctions Physical Review B, 77(23), 233402. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.77.233402
D’Agosta, R. (2013). Towards a dynamical approach to the calculation of the figure of merit of thermoelectric nanoscale devices. Physical Chemistry Chemical Physics, 15, 1758-1765. https://doi.org/10.1039/C2CP42594G
Datta, S. (2005). Quantum transport: Atom to transistor. Cambridge University Press.
Du, X., Skachko, I., Barker, A., & Andrei, A. Y., (2008). Approaching ballistic transport in suspended graphene. Nature Nanotechnology, 3(8), 491-495. https://doi.org/10.1038/nnano.2008.199
Duong, N. L. T., Khoa, L. D., Trang, T. Q., Tuyen, H. T. B., Quyen, N. T. K., Loan, P. T. K., & Tra, V. T. (2021). Electronic Properties of Single-Layer and Bilayer Graphene Nanoribbons. Physica Status Solidi (B), 260(4). 2200432. http://dx.doi.org/10.1002/pssb.202200432
Han, M. Y., Özyilmaz, B., Zhang, Y., & KimEnergy, P. (2007). Band-gap engineering of graphene nanoribbons. Physical Review Letters, 98, 206805. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.98.206805
Zanella, S., Guerini, S. B., Fagan, J., Filho, M., & Filho, A. G. S. (2008). Chemical doping-induced gap opening and spin polarization in graphene. Physical Review B, 77(7), 073404. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.77.073404
Lewenkopf, C. H. & Mucciolo, E. R. (2013). The recursive Green’s function method for graphene. Journal of Computational Electronics. 12(2), 203-231. http://dx.doi.org/10.1007/s10825-013-0458-7
Liu, W., Wang, Z. F., Shi, Q. W., Yang, J., & Liu, F. (2009). Band-gap scaling of graphene nanohole superlattices. Physical Review B, 80(23), 233405. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.80.233405
Mak, K. F., Sfeir, M. Y., Wu, Y., Lui, C. H., Misewich, J. A., & Heinz, T. F. (2008). Measurement of the optical conductivity of graphene. Physical Review Letters, 101(19), 196405. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.101.196405
Mazzamuto, F., Nguyen, V, H., Apertet, Y., Caer, C., Chassat, C., Sait-Martin, J., Dollfus, P. (2011). Enhanced thermoelectric properties in graphene nanoribbons by resonant tunneling of electrons. Physical Review B, 83, 235426. http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.83.235426
Meric, I., Han, M. Y., Young, A. F., Ozyilmaz, B., Kim, P., & Shepard, K. L. (2008). Current saturation in zero-bandgap, top-gated graphene field-effect transistors. Nature Nanotechnol, 3(11), 654-659. https://doi.org/10.1038/nnano.2008.268
Morozov, S. V., Novoselov, K. S., Katsnelson, M. I., Schedin, F., Elias, D. C., Jaszczak, J. A., & Geim, A. K., (2008). Giant intrinsic carrier mobilities in graphene and its bilayer. Physical Review Letters, 100(1), 016602. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.100.016602
Nair, R. R., Blake, P., Grigorenko, A. N., Novoselov, K. S., Booth, T. J., Stauber, T., Peres, N. M. R., & Geim, A. K. (2008). Fine structure constant defines visual transparency of graphene. Science, 320(5881), 1308. https://doi.org/10.1126/science.1156965
Ni, Z. H., Yu, T., Lu, Y. H., Wang, Y. Y., Feng, Y. P., & Shen. Z. X., (2008). Uniaxial strain on graphene: Raman spectroscopy study and band-gap opening. ACS Nano, 2(11), 2301-2305. https://doi.org/10.1021/nn800459e
Novoselov, K. S., Fal’ko, V. I., Colombo, L. P. M., Gellert, P. R., Schwab, M. G., & Kim K. S. (2012). A roadmap for graphene. Nature, 490(7419), 192-200. http://dx.doi.org/10.1038/nature11458
Ohta, T., Bostwick, A., Seyller, T., Horn, K., & Rotenberg, E. (2006). Controlling the electronic structure of bilayer graphene. Science, 313, 951–954. https://doi.org/10.1126/science.1130681
Sahan, Z., & Berber, S. (2020). Monovacancy in achiral and chiral graphene nanoribbons. Computational Condensed Matter, 23(5696), e00471. http://dx.doi.org/10.1016/j.cocom.2020.e00471
Sakhaee-Pour, A. (2009). Elastic properties of single-layered graphene sheet. Solid State Commun, 149(1), 91-95. http://dx.doi.org/10.1016/j.ssc.2008.09.050
Sheehy, D. E. & Schmalian, J. (2009). Optical transparency of graphene as determined by the fine-structure constant. Physical Review B, 80(19), 193411. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.80.193411
Stampfer, C., Güttinger, J., Hellmüller, S., Molitor, F., Ensslin, K., & Ihn, T. (2009). Energy gaps in etched graphene nanoribbons. Physical Review Letters, 102, 056403. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.102.056403
Vu, T. T., & Tran, V. T. (2016). Electric gating induced bandgaps and enhanced Seebeck effect in zigzag bilayer graphene ribbons. Semiconductor Science and Technology, 31(8), 085002. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0268-1242/31/8/085002/meta
Vu, T. T., Nguyen, T. K. Q., Huynh, A. H., Phan, T. K. L., & Tran, V. T. (2017). Modulation of bandgap in bilayer armchair graphene ribbons by tuning vertical and transverse electric fields. Superlattices Microstructure, 102, 451-458. http://dx.doi.org/10.1016/j.spmi.2016.12.031
Vu, T. T., Nguyen, T. K. Q., Nguyen, T. M. T., Nguyen, V. C., & Tran, V. T. (2018). Enhancement of the Seebeck effect in bilayer armchair graphene nanoribbons by tuning the electric fields. Superlattices and Microstructures, 113, 616-622. https://doi.org/10.1016/j.spmi.2017.11.042
Wang, Z., Dong, J., Cui, Y., Eres, G., Timpe, O., Fu, Q., Ding, F., Schloegl, R., & Willinger, M. (2016). Stacking sequence and interlayer coupling in few-layer graphene revealed by in situ imaging. Nature Communications, 7, 13256. https://doi.org/10.1038/ncomms13256
Yu, Y., Zhao, Y., Ryu, S., Brus, L. E., Kim, K.S., & Kim, P. Tuning the graphene work function by electric field effect. Nano Letters, 9(10), 3430-3434. http://dx.doi.org/10.1021/nl901572a
Zhang, Y., Tan, Y., Stormer, H. L., & Kim, P. (2005). Experimental observation of the quantum Hall effect and Berry’s phase in graphene. Nature, 438(7065), 201-204. http://dx.doi.org/10.1038/nature04235