Adopting the nanoribbon form of graphene is an attractive route toward the next-generation graphene-based electronic and spintronic applications, because it has distinct advantages such as the tunable quantum-confined bandgaps and spin-polarized edge states. Recently, the room-temperature ballistic charge transport on a length scale greater than ten micrometers was demonstrated for the GNRs epitaxially grown on silicon carbide. To realize such exceptional properties, narrow clean GNRs with atomically smooth edges is required. On the other hand, to tune their electronic and charge transport properties for practical device applications such as p-n junctions, transistors, light-emitted diodes, spin filters, and so on, one needs to functionalize GNRs by introducing defects and dopants. Thus, the challenge is devising a method to controllably functionalize GNRs while maintaining their desirable and unique properties. For these purpose, this thesis paper covers two cases of ab initio study of binary edge-doped GNRs to study their structural, electronic and charge transport properties.
First, we consider the B-N-complex edge-doped armchair and zigzag GNRs. We find that the B-N edge codoping is energetically a very favorable process and furthermore can achieve novel doping effects that are absent for the single B or N doping. The compensation effect between B and N is predicted to generally recover the excellent electronic transport properties of pristine GNRs. For the zigzag GNRs, however, the spatially localized B-N defect states selectively destroy the doped-side spin-polarized GNR edge currents at the valence and conduction band edges. We show that the energetically and spatially spin-polarized currents survive even in the fully ferromagnetic metallic state and heterojunction configurations. This suggests a simple yet efficient scheme to achieve effectively smooth GNR edges and graphene-based spintronic devices.
Second, we consider the N-P and B-P-complex edge-doped GNRs, especially in the case of armchair type. We find that the B-P-complex and N-P-complex edge codoping can controllably functionalize aGNRs while maintain their desirable and unique properties. Also, a donor-acceptor transition happens extraordinarily without the edge states shown in the zigzag type of GNRs. These complicated phenomena come from the combination of chemical doping and structural relaxation effects induced by P dopant. This can be an effective way to controllably functionalize GNRs, even in the narrow width of GNRs, while maintaining their desirable and unique properties.
그래핀의 나노 리본 형태는 변형 가능한 에너지 밴드 갭과 스핀 양극화된 모서리 준위와 같은 특성 때문에 차세대 그래핀 기반 전자소자와 스핀트로닉스 장치를 위한 채널 물질로 고려되고 있다. 최근에는 상온에서 SIC 기판의 결정축을 따라서 성장한 그래핀 나노 리본의 10μm 이상의 길이에 대한 연속적인 전하수송 특성이 실험적으로 증명됐다. 이를 구현하기 위해서는 원자적으로 깨끗하고 좁은 폭을 갖는 그래핀 나노 리본이 필요하다. 반면, p-n 접합, 트랜지스터, 발광소자, 스핀 필터와 같은 실용적인 장치 응용을 위해서는 그래핀 나노 리본에 결함이나 불순물을 도입해서 전자구조와 양자 수송 특성을 조절해야만 한다. 즉, 그래핀 나노 리본의 이상적이고 특별한 성질은 유지하면서, 전자구조와 양자 수송 특성을 알맞게 조절하는 것이 도전 과제라 하겠다. 이 목적에 상응하는 두 가지의 제1 원리 기반 전산 모사 연구를 수행하였다.
첫째, 붕소-질소 복합체가 모서리에 도핑 된 그래핀 나노 리본의 원자 및 전자 구조, 전하수송 특성을 관찰하였다. 특히, 붕소-질소 복합체가 모서리에 도핑 되는 것이 에너지적으로 매우 안전한 과정이고, 붕소와 질소 단일 도핑에서는 볼 수 없는 새로운 도핑효과가 나타나는 것을 확인했다. 붕소 또는 단일 도핑 된 그래핀 나노 리본과는 달리 붕소-질소 복합체가 모서리에 도핑 된 경우, 일반적으로 전하수송 특성이 도핑 되지 않은 그래핀 나노 리본의 전하수송 특성만큼 회복되는 것을 관찰할 수 있었다. 하지만 그래핀 지그재그 모서리인 경우, 국부적으로 붕소-질소 결함의 에너지 준위가 선택적으로 도핑 된 부분의 스핀 양극화된 그래핀 나노 리본 모서리의 전하수송을 방해하는 것을 밝혔다. 또한, 이런 전하수송 특성은 이종접합 형태와 강자성 금속 상태에서도 나타남을 확인했다. 이는 그래핀 기반 스핀트로닉스 장치와 그래핀 모서리 형성에 간단하지만 효과적인 방법이 될 것이다.
둘째, 붕소-인과 질소-인 복합체가 모서리에 도핑 된 암체어형 그래핀 나노 리본의 원자 및 전자 구조, 전하수송 특성을 관찰하였다. 그동안 많은 그룹에서 붕소와 질소를 통해서 그래핀 나노 리본의 전자 구조를 n형 및 p형으로 바꿀 수 있다고 발표해왔다. 하지만 이 결과들은 특정 조건에만 국한되어 있는 결과이며, 그래핀 나노 리본의 폭이 좁아질수록 도핑효과는 감소하고, 오히려 그래핀 나노 리본의 고유한 전하 수송 특성을 현저하게 떨어트린다는 사실을 발견했다. 인 원소를 함께 도핑 하게 되면, 좁은 폭에서도 신뢰성 있는 n형 및 p형 도핑 그래핀 나노 리본을 구현할 수 있음을 발견했다. 인 원소가 가지고 있는 양극성과 비교적 큰 원자반경 때문에 도핑 영역에 구조적인 뒤틀림이 일어나게 된다. 이에 따라 인의 결함 준위와 붕소 또는 질소의 결함 준위가 쿨롬상호작용을 일으키게 되고, 암체어형 그래핀 나노 리본에서는 관찰할 수 없었던 억셉터-도너 전이현상이 일어나게 되는 것이다. 이 현상은 모서리 준위를 갖는 지그재그형 그래핀 나노 리본에서만 관찰되었던 현상으로서, 암체어형 그래핀 나노 리본에서는 처음으로 발견했다는 것에 큰 의미가 있다.
