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Theoretical study on the structural phase transformation of BeO and the electronic structure of deformed carbon nanotubes = BeO의 구조적 상전이 및 변형된 탄소 나노튜브의 전자구조 연구
서명 / 저자 Theoretical study on the structural phase transformation of BeO and the electronic structure of deformed carbon nanotubes = BeO의 구조적 상전이 및 변형된 탄소 나노튜브의 전자구조 연구 / Chan-Jeong Park.
저자명 Park, Chan-Jeong ; 박찬정
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2000].
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초록정보

We study the pressure-induced phase transformation of BeO through first-principles pseudopotential calculations within the local-density-functional approximation (LDA). The stable wurtzite structure transforms into a zinc-blende structure at a pressure 62 GPa and then successively into a rocksalt phase at 127 GPa. With the generalized-gradient approximation (GGA) for the exchange-correlation potential, we find the transition pressures to be increased significantly, without altering the transition sequence. The wurtzite structure transforms into the zinc-blende structure at 91 GPa, while the zinc-blende-to-rocksalt transition occurs at 147 GPa. This unusual transition sequence is attributed to the large charge asymmetry and the small bond length of BeO. As compared to other metals or insulators, which undergo structural phase transitions via metallization and/or increase of coordination number, the wurtzite to zinc-blende transition of BeO is unusual, because the packing fraction is invariant. To understand the transport behavior of deformed tubes, it is important to investigate the effect of mechanical deformations on the electronic structure. We perform extensive tight-binding and first-principles pseudopotential calculations within the local-density-functional approximation to investigate the effect of radial deformations on the electronic structures of the carbon nanotubes. Calculations of the electronic structure demonstrate that band gap modification such as opening and closure is easily achieved by radial deformations perpendicular to the tube axis. Deformations open the gap in metallic armchair tubes only if the mirror symmetries are broken, and further distortions enhance greatly the gap up to about 0.1 eV due to new bonds formed between facing layers. These gaps are sufficiently large enough for the tube to be semiconducting. Similar deformations increase the gap in small-gap zigzag tubes, but gap closure occurs due to enhanced $σ^*-π^*$ hybridization effects. The gap opening of small-gap zigzag tubes is more sensitive, as compared to armchair tubes. For large-gap tubes, the gap closure also occurs by these $σ^*-π^*$ hybridization effects. This band gap modification is crucial at metal contacts and has important implication in fabricating a quantum dot or multiple quantum dots. The results provide a simple explanation for the recently observed multiple-quantum-dots behavior of a bent single-wall nanotube. Finally, we suggest the possible applications of a nanotube as a quantum dot, multiple quantum dots or metal-insulator junction by introducing radial deformations. Pressing a nanotube by the tip of atomic force microscope or depositing locally $SiO_2$ on a nanotube with controlled electron-beam irradiations in the deposited region may lead to the formation of a quantum dot or multiple quantum dots. Since nanotubes with gaps of about 0.5 eV can be synthesized under typical growth conditions, a fabrication of metal-insulator junction may also be possible for a large-gap nanotube with a half deposited by $SiO_2$, because the gap closure can occur in the deposition-induced collapsed region.

국소 전자밀도 근사 하에서 제일원리 쑤도포텐셜방법을 사용하여 BeO의 압력 하에서의 구조적 상전이를 연구하였다. 안정한 wurzite 구조가 62 GPa에서 zinc-blende 구조로 전이하고 127 GPa에서 rocksalt 구조로 전이하는 것으로 나타났다. exchange-correlation potential에 대한 generalized-gradient 근사를 쓸 경우 전이 순서에는 변화가 없었지만 전이 압력이 상당히 증가하게 됨을 알 수 있다. wurtzite 구조가 91 GPa에서 zinc-blende 구조로 전이하고 zinc-blende 구조가 147 GPa에서 rocksalt 구조로 전이가 일어난다. 이 특이한 전이 순서는 BeO의 큰 전하 비대칭성과 작은 결합 거리에 기인한다. 다른 금속이나 절연체가 금속화 또는 coordination number 증가를 통해 구조적 상전이를 하는 반면, BeO의 wurtzite에서 zinc-blende로의 전이는 packing fraction이 변하지 않으므로 특이한 상전이이다. 변형된 탄소 나노튜브의 전자 수송의 성질을 이해하기 위해서는 기계적 변형이 전자구조에 어떤 영향을 미치는지를 조사하는 것이 중요하다. 이 논문에서는 튜브의 반경 방향으로의 변형이 탄소 나노튜브의 전자구조에 어떤 영향을 미치는지를 알아보기 위해 tight-binding과 제일원리 계산을 폭넓게 수행하였다. 전자구조 계산 결과 밴드 갭의 열림이나 닫힘이 튜브의 축에 수직한 변형에 의해 쉽게 이루어짐을 발견했다. armchair 튜브의 경우 거울 대칭성이 깨질 때만 변형에 의해 밴드 갭이 열리고 더 변형을 가하면 마주보는 튜브의 벽들 사이의 상호작용에 의해 갭이 약 0.1 eV 정도까지 증가하게 된다. 이 갭은 튜브가 반도체 성질을 가질 정도로 충분히 크다. 갭이 작은 zigzag 튜브의 경우 비슷한 변형에 의해 갭이 처음에는 증가하고 더 변형을 가할 경우 $σ^*-π^*$ 혼성 효과가 증가하여 갭이 닫히게 된다. 갭이 작은 zigzag 튜브의 경우 갭의 열림은 armchair 튜브의 경우보다 더 민감하다. 갭이 큰 튜브의 경우 $σ^*-π^*$ 혼성 효과에 의해 마찬가지로 갭이 닫히게 된다. 이러한 밴드 갭의 변화는 금속과의 접촉시 중요하고 양자점이나 다중 양자점을 제작하는데 중요한 암시를 준다. 이 결과는 최근에 구부러진 단일 벽 나노튜브에서 관측된 다중 양자점 현상에 대해 간단한 설명을 제공해준다. 마지막으로, 나노튜브에 반경 방향의 변형을 유도하여 양자점이나 다중 양자점 또는 금속-절연체 접합으로의 응용 가능성을 제시하였다. 나노튜브를 atomic force microscope의 끝으로 누르거나 국부적으로 전자빔을 쪼면서 $SiO_2$를 증착시키면 양자점이나 다중 양자점이 형성될 수 있다. 전형적인 실험 조건에서 밴드 갭이 약 0.5 eV 정도 되는 나노튜브가 생기므로 이러한 나노튜브의 반쪽에 $SiO_2$를 증착시켜 증착되는 부분에 갭이 닫힘을 이용하면 금속-절연체 접합이 형성될 것으로 기대된다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DPH 00023
형태사항 viii, 60 p. : 삽도 ; 26 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 박찬정
지도교수의 영문표기 : Kee-Joo Chang
지도교수의 한글표기 : 장기주
수록잡지명 : "Band-gap modification by radial deformation in carbon nanotubes". Physical review B, vol. 60, no. 15, pp. 10 656-10 659 (1999)
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 물리학과,
서지주기 Reference : p. 53-60
주제 Electronic-properties
Beryllium-oxide
Pseudopotential
Stability
Ionicity
Electronic-structure
Heterojunctions
Conductors
Tubules
Ropes
전자적 성질
산화베릴륨
쑤도포텐셜
안정성
이온결합 세기
전자구조
이질접합
도체
튜브
다발
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