Методом теории функционала плотности изучена зонная структура графеновых нанолент типа зигзаг N-ZGNR/h-BN(0001) с ферро- и антиферромагнитным типами упорядочения как возможная база новых материалов для спинтроники. С использованием теории функционала плотности установлены равновесные параметры атомной структуры нанолент графена и верхнего слоя нитрида бора, а также равновесная длина связи dx между атомными слоями наноленты 8-ZGNR и подложки h-BN(OOOl). Изучены закономерности изменения электронной структуры валентной полосы и индуцирования энергетической щели в ряду 6-ZGNR-^ 8-ZGNR-^6-ZGNR/h-BN(0001)^8-ZGNR/h-BN(0001)^rpa4>eH/h-BN(0001). Обсуждаются особенности спинового состояния на уровне Ферми, а также роли краевого эффекта и эффекта подложки в открытии энергетической щели в системах 6(8)-ZGNR/h-BN(0001). Показано, что в системах 6(8)-ZGNR/h-BN(0001) открывается энергетическая щель величиной более 340 мэВ. Дифференцированы вклады эффектов края наноленты графена и подложки в формирование данной щели. Оценены локальные магнитные моменты на атомах углерода в нанолентах графена в подвешенном состоянии и на подложке для ферро- и антиферромагнитного упорядочений. Показано, что локальные магнитные моменты на атомах углерода в нанолентах графена типа зигзаг 8-ZGNRs с ферро- и антиферромагнитным упорядочением дают сопоставимые значения. Крайние атомы углерода имеют наибольшие локальные магнитные моменты (0,28 μΒ) относительно остальных атомов углерода.
зонная структура, гексагональный нитрид бора, наноленты графена типа зигзаг, магнитные моменты, электронные свойства.
Введение. С момента открытия в 2004 году уникальные свойства графена являются объектом повышенного внимания исследователей [1, 2]. Высокая подвижность носителей заряда в графене при комнатной температуре определяет широкие перспективы его использования для создания элементов и устройств спинтроники. Энергетической щелью в зонном спектре графена можно управлять, используя различные (диэлектрические [3, 4] и металлические [5]) подложки, графе-новые наноленты [6—8] и электрическое поле [9]. Влияние, например, диэлектрической подложки А12О3(0001), оказываемое на зонный спектр графена, заключается в появлении в окрестности уровня Ферми энергетической щели шириной порядка 55 мэВ [3]. Данный разрыв связан с неэквивалентным расположением атомов алюминия подложки по отношению к атомам углерода. Графеновые наноленты интересны тем, что обладают нелинейным законом дисперсии для низкоэнергетического спектра п-электронов [7, 8]. Благодаря квантово-размерному эффекту наноленты содержат конечную запрещённую полосу Ед. Её величина зависит от ориентации границ нанолент относительно кристаллической решётки графена. Отличительной особенностью электронного спектра нанолент типа «зигзаг» {zigzag graphene nanoribbon — ZGNR) является наличие локализованных состояний на уровне Ферми, которые обусловлены атомами границ [8]. Наличие локализованных электронных состояний в графеновых нанолентах экспериментально установлено методом фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением (ARPES) [10, 11].
1. Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films / K. S. Novoselov [et al.] // Science. - 2004. - Vol. 306. - Pp. 666-669.
2. Resonant tunneling diodes based on grapheme/h-BN heterostructure / V. Hung Nguyen [et al.] // Journal of Physics D : Applied Physics. - 2012. - Vol. 45. - Pp. 325104-1-5.
3. Ilyasov, V V Surface states and adsorption energy of carbon in interface of the two-dimensional grapheme/AI2O3(0001) system / V V Ilyasov, I. V Ershov // Physics of the Solid State. - 2012. - Vol. 54, № 11. - Pp. 2332-2340.
4. Substrate-induced bandgap in grapheme on hexagonal boron nitride / G. Giovanetti [et al.] // Physical Review В : Condensed Matter. - 2007. - Vol. 76. - Pp. 073103-073107.
5. Graphene on metals: A van der Waals density fuctional study / M. Vanin [et al.] // Physical Review B. - 2010. - Vol. 81. - P. 081408R-l^l·.
6. Tuning the magnetic moment in zigzag graphene nanoribbons: Effects of metal substrates / Jingzhe Chen [et al.] // Physical Review. - 2012. - Vol. 86. - Pp. 075146-1-6.
7. Гричук, E. С. Транспорт электронов и спинов в адиабатическом квантовом насосе на основе графеновых нанолент / Е. С. Гричук, Э. А. Маныкин // Журнал экспериментальной и теоретической физики. - 2011. -Т. 140, вып. 4 (10). - С. 801-813.
8. Wakabayashi, К. Nanoscale and edge effect on electronic properties of grapheme / Katsunori Wakabayashi, Sudipta Dutta // Solid State Commun. - 2012. - Vol. 152. - Pp. 1420-1430.
9. Ab initio theory of gate induced gaps in graphene bilayers / H. Min [et al.] // Physical Review В : Condensed Matter. - 2007. - Vol. 75 (15). - Pp. 155115-155121.
10. Fermi surface and edge-localized states in graphite studied by high-resolution angle-resolved photoemission spectroscopy / K. Sugawara [et al.] // Physical Review B. - 2006. - Vol. 73. - Pp. 045124-045128.
11. Quasifreestranding single-layer hexagonal boron nitride as a substrate for graphene synthesis / D. Usachov [et al.] // Physical Review B. - 2010. - Vol. 82. - Pp. 075415-1-6.
12. Edge state in grapheme ribbons: Nanometer size effect and edge shape dependence / K. Nakada [et al.] // Physical Review B. - 1996. - Vol. 54. - Pp. 17954-17961.
13. Kobayashi, K. Electronic structure of a stepped graphite surface / K. Kobayashi // Physical Review B. - 1993. - Vol. 48. - Pp. 1757-1760.
14. Peculiar localized state at zigzag graphite edge / M. Fujita [et al.] // Journal of The Physical Society of Japan. - 1996. - Vol. 65, № 7. - Pp. 1920-1923.
15. Intrinsic and Extrinsic Performance Limits of Graphene Devices on Si02 / J. H. Chen [et al.] // Nature Nanotechnology. - 2008. - Vol. 3. - Pp. 206-209.
16. 100-GHz transistor from wafer-scale epitaxial grapheme / Y-M. Lin [et al.] // Science. - 2010. - Vol. 327. - P. 662.
17. Effect of a high-k environment on charge carrier mobility in grapheme / L. A. Ponomarenko [et al.] // Physical Review Letters. - 2009. - Vol. 102. - Pp. 206603-l^l·.
18. A transfer technique for high mobility graphene devices on commercially available hexagonal boron nitride / P.-J. Zomer [et al.] // Applied Physics Letters. - 2011. - Vol. 99. - Pp. 232104-232107.
19. Boron nitride substrates for high quality grapheme electronics / C.-R. Dean [et al.] // Nature Nanotechnology. - 2010. - Vol. 5. - Pp. 722-726.
20. Chemical vapor deposition synthesis of grapheme on copper with methanol, ethanol, and propanol / A. Guermoune [et al.] // Carbon. - 2011. - Vol. 49. - Pp. 4204^210.
21. Quantum Espresso: a modular and open-source software project for quantum simulations of materials / P. Giannozzi [et al.] // Journal of Physics : Condensed Matter. - 2009. - Vol. 21. - Pp. 395502-395521.
22. Hohonberg, P. Inhomogeneous electron gas / P. Hohonberg, W. Kohn // Physical Review B. - 1964. - Vol. 136. - Pp. 864-871.
23. Kohn, W. Self-Consistent Equations Including Exchange and Correlation Effects / W. Kohn, L.-J. Sham // Physical Review A. - 1965. - Vol. 140. - Pp. 1133-1138.
24. Corso, A.-D. Density-functional perturbation theory for lattice dynamics with ultrasoft pseu-dopotentials / A.-D. Corso, A. Pasquarello, A. Baldereschi // Physical Review B. - 1997. - Vol. 56. - Pp. Rll 369-372.
25. First principle calculations of the electronic properties of nitrogen-doped carbon nanorib-bons with zigzag edges / S.-S. Yu [et al.] // Carbon. - 2008. - Vol. 46. - Pp. 537-543.
26. Electronic and magnetic properties of zigzag graphene nanoribbons on the (111) surface of Cu, Ag and Au [Электронный ресурс] / Y. Li [et al.] // http://arxiv.org/list/cond-mat.meshall/arXiv: 1210.2876vl. - 2012. - 10 Oct. (дата обращения : 11.04.2013).
27. Materials for spintronics: magnetic and transport properties of ultrathin (monolayer gra-phene)/MnO(001) and MnO(OOl) films / Ilyasov V [et al.] // Journal of Modern Physics. - 2011. - Vol. 2. - Pp. 1120-1135.
28. Jiang, D. Unique chemical reactivity of a graphene nanoribbon´s zigzag edge / D. Jiang, B.-G. Sumpter, S. Dai // Journal of Chemical Physics. - 2007. - Vol. 126. - Pp. 134701-134707.
