| 研究生: |
鍾獻慶 Chung, Hsien-Ching |
|---|---|
| 論文名稱: |
單層與雙層奈米石墨帶的電子及光學性質 Electronic and Optical Properties of Monolayer and Bilayer Graphene Nanoribbons |
| 指導教授: |
林明發
Lin, Ming-Fa |
| 學位類別: |
博士 Doctor |
| 系所名稱: |
理學院 - 物理學系 Department of Physics |
| 論文出版年: | 2011 |
| 畢業學年度: | 99 |
| 語文別: | 英文 |
| 論文頁數: | 146 |
| 中文關鍵詞: | 奈米石墨帶 、電子性質 、光學性質 |
| 外文關鍵詞: | graphene nanoribbon, electronic property, optical property |
| 相關次數: | 點閱:450 下載:24 |
| 分享至: |
| 查詢本校圖書館目錄 查詢臺灣博碩士論文知識加值系統 勘誤回報 |
石墨烯是最近在凝態物理中一個很熱門的研究領域。這個系統有很獨特的物理性質,像是在費米能附近的線性能帶、具有極高的載子遷移率、半整數的量子霍爾效應等,這些現象均已被報告並刺激出很多其他的研究。奈米石墨帶可以從切割石墨烯獲得,其中有兩種典型的切割方向:鋸齒狀及手椅狀切割方向。在本文中,使用緊束模型來研究單層與雙層奈米石墨帶的電子及光學性質。許多物理性質,包含能帶、態密度、光學吸收譜等皆與邊界形狀有關,這些在內文中都有詳細的討論。另外,在光學吸收譜中的選擇律可以從波函數的角度去分析,這部份的內容則獨立為一個章節。並且,層跟層之間的交互作用及奈米石墨帶於外場下的性質則放在最後。
Graphene is recently one of the most active research areas in condense matter physics. The unique physical properties, such as cone-like energy spectra, extremely high mobility carriers, fractional quantum Hall effects, and Klein tunnelling have been reported and stimulated enormous amount of studies. Graphene nanoribbons (GNRs) are available from cutting the graphene sheet along a specific direction. There are two typical types of GNRs, i.e., zigzag and armchair GNRs. In this dissertation, the electronic and optical properties of monolayer and bilayer GNRs are investigated through the tight-binding method. The physical properties including energy spectra, density of states, optical absorption spectra, which exhibit many edge-dependent features are discussed in detail. Interestingly, the optical selection rules can be explored from the wave functions, which is presented in a single chapter. Furthermore, the effects of interlayer interactions and external fields in bilayer GNR system are
discussed in the last.
[1] K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, I. V. Grigorieva, and A. A. Firsov, Science 306, 666 (2004).
[2] K. S. Novoselov, D. Jiang, F. Schedin, T. J. Booth, V. V. Khotkevich, S. V. Morozov, and A. K. Geim, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 102, 10451 (2005).
[3] A. K. Geim, Science 324, 1530 (2009).
[4] K. I. Bolotin, K. J. Sikes, Z. Jiang, M. Klima, G. Fudenberg, J. Hone, P. Kim, and H. L. Stormer, Solid State Commun. 146, 351 (2008).
[5] S. V. Morozov, K. S. Novoselov, M. I. Katsnelson, F. Schedin, D. C. Elias, J. A. Jaszczak, and A. K. Geim, Phys. Rev. Lett. 100, 016602 (2008).
[6] A. K. Geim and K. S. Novoselov, Nat. Mater. 6, 183 (2007).
[7] H. W. Kroto, J. R. Heath, S. C. Obrien, R. F. Curl, and R. E. Smalley, Nature 318, 162 (1985).
[8] H. W. Kroto, A. W. Allaf, and S. P. Balm, Chem. Rev. 91, 1213 (1991).
[9] A. Oberlin, M. Endo, and T. Koyama, J. Cryst. Growth 32, 335 (1976).
[10] S. Iijima and T. Ichihashi, Nature 363, 603 (1993).
[11] D. S. Bethune, C. H. Kiang, M. S. Devries, G. Gorman, R. Savoy, J. Vazquez, and R. Beyers, Nature 363, 605 (1993).
[12] R. Bacon, J. Appl. Phys. 31, 283 (1960).
[13] H. Shioyama and T. Akita, Carbon 41, 179 (2003).
[14] L. M. Viculis, J. J. Mack, and R. B. Kaner, Science 299, 1361 (2003).
[15] H. P. Boehm, A. Clauss, G. O. Fischer, and U. Hofmann, Z. Naturforschg. 17 b, 150 (1962).
[16] A. J. Vanbommel, J. E. Crombeen, and A. Vantooren, Surf. Sci. 48, 463 (1975).
[17] I. Forbeaux, J. M. Themlin, and J. M. Debever, Phys. Rev. B 58, 16396 (1998).
[18] C. Oshima, A. Itoh, E. Rokuta, T. Tanaka, K. Yamashita, and T. Sakurai, Solid State Commun. 116, 37 (2000).
[19] K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, M. I. Katsnelson, I. V. Grigorieva, S. V. Dubonos, and A. A. Firsov, Nature 438, 197 (2005).
[20] Y. B. Zhang, Y. W. Tan, H. L. Stormer, and P. Kim, Nature 438, 201 (2005).
[21] S. Y. Zhou, G. H. Gweon, J. Graf, A. V. Fedorov, C. D. Spataru, R. D. Diehl, Y. Kopelevich, D. H. Lee, S. G. Louie, and A. Lanzara, Nat. Phys. 2, 595 (2006).
[22] A. Bostwick, T. Ohta, T. Seyller, K. Horn, and E. Rotenberg, Nat. Phys. 3, 36 (2007).
[23] A. H. Castro Neto, F. Guinea, N. M. R. Peres, K. S. Novoselov, and A. K. Geim, Rev. Mod. Phys. 81, 109 (2009).
[24] K. Von klitzing, G. Dorda, and M. Pepper, Phys. Rev. Lett. 45, 494 (1980).
[25] N. M. R. Peres, F. Guinea, and A. H. C. Neto, Phys. Rev. B 73, 125411 (2006).
[26] R. R. Nair, P. Blake, A. N. Grigorenko, K. S. Novoselov, T. J. Booth, T. Stauber, N. M. R. Peres, and A. K. Geim, Science 320, 1308 (2008).
[27] P. R. Wallace, Phys. Rev. 71, 622 (1947).
[28] X. K. Lu, M. F. Yu, H. Huang, and R. S. Ruoff, Nanotechnology 10, 269 (1999).
[29] H. Hiura, T. W. Ebbesen, J. Fujita, K. Tanigaki, and T. Takada, Nature 367, 148 (1994).
[30] H. V. Roy, C. Kallinger, B. Marsen, and K. Sattler, J. Appl. Phys. 83, 4695 (1998).
[31] A. Reina, X. T. Jia, J. Ho, D. Nezich, H. B. Son, V. Bulovic, M. S. Dresselhaus, and J. Kong, Nano Lett. 9, 30 (2009).
[32] S. Lee, K. Lee, and Z. H. Zhong, Nano Lett. 10, 4702 (2010).
[33] A. Ismach, C. Druzgalski, S. Penwell, A. Schwartzberg, M. Zheng, A. Javey, J. Bokor, and Y. G. Zhang, Nano Lett. 10, 1542 (2010).
[34] C. Berger, Z. M. Song, X. B. Li, X. S. Wu, N. Brown, C. Naud, D. Mayou, T. B. Li, J. Hass, A. N. Marchenkov, E. H. Conrad, P. N. First, and W. A. de Heer, Science 312, 1191 (2006).
[35] J. W. Bai, X. F. Duan, and Y. Huang, Nano Lett. 9, 2083 (2009).
[36] A. Fasoli, A. Colli, A. Lombardo, and A. C. Ferrari, Phys. Status Solidi B-Basic Solid State Phys. 246, 2514 (2009).
[37] V. L. J. Joly, M. Kiguchi, S. J. Hao, K. Takai, T. Enoki, R. Sumii, K. Amemiya, H. Muramatsu, T. Hayashi, Y. A. Kim, M. Endo, J. Campos-Delgado, F. Lopez-Urias, A. Botello-Mendez, H. Terrones, M. Terrones, and M. S. Dresselhaus, Phys. Rev. B 81, 245428 (2010).
[38] J. Campos-Delgado, Y. A. Kim, T. Hayashi, A. Morelos-Gomez, M. Hofmann, H. Muramatsu, M. Endo, H. Terrones, R. D. Shull, M. S. Dresselhaus, and M. Terrones, Chem. Phys. Lett. 469, 177 (2009).
[39] L. Tapaszto, G. Dobrik, P. Lambin, and L. P. Biro, Nat. Nanotechnol. 3, 397 (2008).
[40] M. Y. Han, B. Ozyilmaz, Y. B. Zhang, and P. Kim, Phys. Rev. Lett. 98, 206805 (2007).
[41] D. V. Kosynkin, A. L. Higginbotham, A. Sinitskii, J. R. Lomeda, A. Dimiev, B. K. Price, and J. M. Tour, Nature 458, 872 (2009).
[42] D. V. Kosynkin, W. Lu, A. Sinitskii, G. Pera, Z. Z. Sun, and J. M. Tour, Acs Nano 5, 968 (2011).
[43] F. Cataldo, G. Compagnini, G. Patane, O. Ursini, G. Angelini, P. R. Ribic, G. Margaritondo, A. Cricenti, G. Palleschi, and F. Valentini, Carbon 48, 2596 (2010).
[44] M. C. Paiva, W. Xu, M. F. Proenca, R. M. Novais, E. Laegsgaard, and F. Besenbacher, Nano Lett. 10, 1764 (2010).
[45] A. G. Cano-Marquez, F. J. Rodriguez-Macias, J. Campos-Delgado, C. G. Espinosa-Gonzalez, F. Tristan-Lopez, D. Ramirez-Gonzalez, D. A. Cullen, D. J. Smith, M. Terrones, and Y. I. Vega-Cantu, Nano Lett. 9, 1527 (2009).
[46] P. Vogl, H. P. Hjalmarson, and J. D. Dow, J. Phys. Chem. Solids 44, 365 (1983).
[47] J. C. Slater and G. F. Koster, Phys. Rev. 94, 1498 (1954).
[48] P. Lowdin, J. Chem. Phys. 18, 365 (1950).
[49] H. Shirakawa, Rev. Mod. Phys. 73, 713 (2001).
[50] H. Shirakawa, Curr. Appl. Phys. 1, 281 (2001).
[51] T. Ito, H. Shirakawa, and S. Ikeda, J. Polym. Sci. Pol. Chem. 13, 1943 (1975).
[52] T. Ito, H. Shirakawa, and S. Ikeda, J. Polym. Sci. Pol. Chem. 12, 11 (1974).
[53] H. Shirakawa, E. J. Louis, A. G. MacDiarmid, C. K. Chiang, and A. J. Heeger, J. Chem. Soc. Chem. Commun. , 578 (1977).
[54] C. S. Yannoni and T. C. Clarke, Phys. Rev. Lett. 51, 1191 (1983).
[55] B. R. Weinberger, C. B. Roxlo, S. Etemad, G. L. Baker, and J. Orenstein, Phys. Rev. Lett. 53, 86 (1984).
[56] A. J. Heeger, S. Kivelson, J. R. Schrieffer, and W. P. Su, Rev. Mod. Phys. 60, 781 (1988).
[57] W. P. Su, J. R. Schrieffer, and A. J. Heeger, Phys. Rev. Lett. 42, 1698 (1979).
[58] H. P. Boehm, R. Setton, and E. Stumpp, Pure Appl. Chem. 66, 1893 (1994).
[59] P. Muller, Pure Appl. Chem. 66, 1077 (1994).
[60] V. I. MINKIN, Pure Appl. Chem. 71, 1919 (1999).
[61] G. S. Painter and D. E. Ellis, Phys. Rev. B 1, 4747 (1970).
[62] C. W. Chiu, S. H. Lee, S. C. Chen, F. L. Shyu, and M. F. Lin, New. J. Phys. 12, 083060 (2010).
[63] K. Wakabayashi, M. Fujita, H. Ajiki, and M. Sigrist, Phys. Rev. B 59, 8271 (1999).
[64] M. Fujita, K. Wakabayashi, K. Nakada, and K. Kusakabe, J. Phys. Soc. Jpn. 65, 1920 (1996).
[65] J. H. Ho, Y. H. Lai, Y. H. Chiu, and M. F. Lin, Physica E 40, 1722 (2008).
[66] R. Peierls, Z. Phys. 80, 763 (1933).
[67] P. London, J. Phys. Radium 8, 397 (1937).
[68] P. J. Mohr, B. N. Taylor, and D. B. Newell, Rev. Mod. Phys. 80, 633 (2008).
[69] F. H. Claro and G. H. Wannier, Phys. Rev. B 19, 6068 (1979).
[70] R. Rammal, Journal De Physique 46, 1345 (1985).
[71] G. Dresselhaus and M. S. Dresselhaus, Phys. Rev. 160, 649 (1967).
[72] L. G. Johnson and G. Dresselhaus, Phys. Rev. B 7, 2275 (1973).
[73] N. V. Smith, Phys. Rev. B 19, 5019 (1979).
[74] L. C. Lew Yan Voon and L. R. Ram-Mohan, Phys. Rev. B 47, 15500 (1993).
[75] J. D. Bernal, Proc. R. Soc. Lond. A 106, 749 (1924).
[76] J. C. Charlier, X. Gonze, and J. P. Michenaud, Phys. Rev. B 43, 4579 (1991).
[77] D. Li, M. B. Muller, S. Gilje, R. B. Kaner, and G. G. Wallace, Nat. Nanotechnol. 3, 101 (2008).
[78] K. S. Kim, Y. Zhao, H. Jang, S. Y. Lee, J. M. Kim, J. H. Ahn, P. Kim, J. Y. Choi, and B. H. Hong, Nature 457, 706 (2009).
[79] K. A. Ritter and J. W. Lyding, Nat. Mater. 8, 235 (2009).
[80] A. K. Singh and B. I. Yakobson, Nano Lett. 9, 1540 (2009).
[81] L. Brey and H. A. Fertig, Phys. Rev. B 73, 235411 (2006).
[82] V. Barone, O. Hod, and G. E. Scuseria, Nano Lett. 6, 2748 (2006).
[83] M. Ezawa, Phys. Rev. B 73, 045432 (2006).
[84] T. Kawai, Y. Miyamoto, O. Sugino, and Y. Koga, Phys. Rev. B 62, R16349 (2000).
[85] Y. Miyamoto, K. Nakada, and M. Fujita, Phys. Rev. B 59, 9858 (1999).
[86] K. Yoshizawa, K. Yahara, K. Tanaka, and T. Yamabe, J. Phys. Chem. B 102, 498 (1998).
[87] K. Nakada, M. Fujita, G. Dresselhaus, and M. S. Dresselhaus, Phys. Rev. B 54, 17954 (1996).
[88] X. L. Li, X. R. Wang, L. Zhang, S. W. Lee, and H. J. Dai, Science 319, 1229 (2008).
[89] H. F. Hiura, Appl. Surf. Sci. 222, 374 (2004).
[90] N. Camara, J. R. Huntzinger, G. Rius, A. Tiberj, N. Mestres, F. Perez-Murano, P. Godignon, and J. Camassel, Phys. Rev. B 80, 125410 (2009).
[91] C. Berger, Z. M. Song, T. B. Li, X. B. Li, A. Y. Ogbazghi, R. Feng, Z. T. Dai, A. N. Marchenkov, E. H. Conrad, P. N. First, and W. A. de Heer, J. Phys. Chem. B 108, 19912 (2004).
[92] H. C. Chung, Y. C. Huang, M. H. Lee, C. C. Chang, and M. F. Lin, Physica E 42, 711 (2010).
[93] L. Pisani, J. A. Chan, B. Montanari, and N. M. Harrison, Phys. Rev. B 75, 064418 (2007).
[94] D. E. Jiang, B. G. Sumpter, and S. Dai, J. Chem. Phys. 127, 124703 (2007).
[95] Y. W. Son, M. L. Cohen, and S. G. Louie, Nature 444, 347 (2006).
[96] K. Kusakabe and M. Maruyama, Phys. Rev. B 67, 092406 (2003).
[97] D. Prezzi, D. Varsano, A. Ruini, A. Marini, and E. Molinari, Phys. Rev. B 77, 041404 (2008).
[98] Y. C. Huang, M. F. Lin, and C. P. Chang, J. Appl. Phys. 103, 073709 (2008).
[99] L. Yang, M. L. Cohen, and S. G. Louie, Nano Lett. 7, 3112 (2007).
[100] Y. C. Huang, C. P. Chang, and M. F. Lin, Nanotechnology 18, 495401 (2007).
[101] M. F. Lin and F. L. Shyu, J. Phys. Soc. Jpn. 69, 3529 (2000).
[102] K. Wakabayashi, Y. Takane, M. Yamamoto, and M. Sigrist, Carbon 47, 124 (2009).
[103] T. B. Martins, R. H. Miwa, A. J. R. da Silva, and A. Fazzio, Phys. Rev. Lett. 98, 196803 (2007).
[104] A. N. Andriotis, E. Richter, and M. Menon, Appl. Phys. Lett. 91, 152105 (2007).
[105] A. Cresti, G. Grosso, and G. P. Parravicini, Phys. Rev. B 76, 205433 (2007).
[106] D. A. Areshkin, D. Gunlycke, and C. T. White, Nano Lett. 7, 204 (2007).
[107] C. P. Chang, Y. C. Huang, C. L. Lu, J. H. Ho, T. S. Li, and M. F. Lin, Carbon 44, 508 (2006).
[108] R. Saito, G. Dresselhaus, and M. S. Dresselhaus, “Physical properties of carbon nanotubes,”(World Scientific Publishing Company, 1998) Chap. 6, p. 98.
[109] Y. H. Ho, Y. H. Chiu, D. H. Lin, C. P. Chang, and M. F. Lin, Acs Nano 4, 1465 (2010).
[110] R. F. Service, Science 324, 875 (2009).
[111] N. M. R. Peres, Europhys. News 40, 17 (2009).
[112] M. I. Katsnelson, Mater. Today 10, 20 (2007).
[113] F. Schedin, A. K. Geim, S. V. Morozov, E. W. Hill, P. Blake, M. I. Katsnelson, and K. S. Novoselov, Nat. Mater. 6, 652 (2007).
[114] S. V. Morozov, K. S. Novoselov, and A. K. Geim, Physics-Uspekhi 51, 744 (2008).
[115] S. Cho and M. S. Fuhrer, Phys. Rev. B 77, 081402 (2008).
[116] R. H. Miwa, R. G. A. Veiga, and G. P. Srivastava, Appl. Surf. Sci. 256, 5776 (2010).
[117] S. Dutta and S. K. Pati, J. Mater. Chem. 20, 8207 (2010).
[118] T. Nomura, D. Yamamoto, and S. Kurihara, Journal of Physics: Conference Series 200, 062015 (2010).
[119] J. W. Bai, R. Cheng, F. X. Xiu, L. Liao, M. S.Wang, A. Shailos, K. L.Wang, Y. Huang, and X. F. Duan, Nat. Nanotechnol. 5, 655 (2010).
[120] H. C. Chung, M. H. Lee, C. P. Chang, Y. C. Huang, and M. F. Lin, J. Phys. Soc. Jpn. 80, 044602 (2011).
[121] A. Cresti and S. Roche, New. J. Phys. 11, 095004 (2009).
[122] Y. O. Klymenko and O. Shevtsov, Eur. Phys. J. B 72, 203 (2009).
[123] E. Perfetto, G. Stefanucci, and M. Cini, Phys. Rev. B 82, 035446 (2010).
[124] J. Jiang, W. Lu, and J. Bernholc, Phys. Rev. Lett. 101, 246803 (2008).
[125] H. Hsu and L. E. Reichl, Phys. Rev. B 76, 045418 (2007).
[126] L. Van Hove, Phys. Rev. 89, 1189 (1953).
[127] E. B. Barros, A. Jorio, G. G. Samsonidze, R. B. Capaz, A. G. Souza, J. Mendes, G. Dresselhaus, and M. S. Dresselhaus, Physics Reports 431, 261 (2006).
[128] P. Avouris, Z. H. Chen, and V. Perebeinos, Nat. Nanotechnol. 2, 605 (2007).
[129] Y. Niimi, T. Matsui, H. Kambara, K. Tagami, M. Tsukada, and H. Fukuyama, Phys. Rev. B 73, 085421 (2006).
[130] P. Kim, T. W. Odom, J. L. Huang, and C. M. Lieber, Phys. Rev. Lett. 82, 1225 (1999).
[131] S. M. Bachilo, M. S. Strano, C. Kittrell, R. H. Hauge, R. E. Smalley, and R. B. Weisman, Science 298, 2361 (2002).
[132] J. Lefebvre, Y. Homma, and P. Finnie, Phys. Rev. Lett. 90, 217401 (2003).
[133] C. W. J. Beenakker, Rev. Mod. Phys. 80, 1337 (2008).
[134] N. Stander, B. Huard, and D. Goldhaber-Gordon, Phys. Rev. Lett. 102, 026807 (2009).
[135] M. F. Lin, M. Y. Chen, and F. L. Shyu, J. Phys. Soc. Jpn. 70, 2513 (2001).
[136] J. P. Lu, X. Ying, and M. Shayegan, Appl. Phys. Lett. 65, 2320 (1994).
[137] E. V. Castro, K. S. Novoselov, S. V. Morozov, N. M. R. Peres, J. Dos Santos, J. Nilsson, F. Guinea, A. K. Geim, and A. H. C. Neto, Phys. Rev. Lett. 99, 216802 (2007).