Electronic Structure and Stability of Semiconducting Graphene Nanoribbons

带隙 材料科学 石墨烯纳米带 凝聚态物理 电子结构 石墨烯 密度泛函理论 光电子学 纳米技术 计算化学 化学 物理
作者
Verónica Barone,Oded Hod,Gustavo E. Scuseria
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:6 (12): 2748-2754 被引量:1643
标识
DOI:10.1021/nl0617033
摘要

We present a systematic density functional theory study of the electronic properties, optical spectra, and relative thermodynamic stability of semiconducting graphene nanoribbons. We consider ribbons with different edge nature including bare and hydrogen-terminated ribbons, several crystallographic orientations, and widths up to 3 nm. Our results can be extrapolated to wider ribbons providing a qualitative way of determining the electronic properties of ribbons with widths of practical significance. We predict that in order to produce materials with band gaps similar to Ge or InN, the width of the ribbons must be between 2 and 3 nm. If larger bang gap ribbons are needed (like Si, InP, or GaAs), their width must be reduced to 1−2 nm. According to the extrapolated inverse power law obtained in this work, armchair carbon nanoribbons of widths larger than 8 nm will present a maximum band gap of 0.3 eV, while for ribbons with a width of 80 nm the maximum possible band gap is 0.05 eV. For chiral nanoribbons the band gap oscillations rapidly vanish as a function of the chiral angle indicating that a careful design of their crystallographic nature is an essential ingredient for controlling their electronic properties. Optical excitations show important differences between ribbons with and without hydrogen termination and are found to be sensitive to the carbon nanoribbon width. This should provide a practical way of revealing information on their size and the nature of their edges.
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