초록

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본 연구에서는 18 atoms unit cell graphene film을 기반으로 한 graphene/h-BN heterostructure의 bandgap 변화에 대해 EDISON LCAODFTLab simulator의 DFT기반 전자구조계산을 통해 알아보았다. Graphene 상에 BN-doping 형태로 주어진 여러 heterostructure의 전자구조계산을 통해 태양전지의 이론적 최적효율을 나타내는 1.2eV 정도의 값을 갖는 구조를 찾을 수 있었다.

본 연구에서는 18 atoms unit cell graphene film을 기반으로 한 graphene/h-BN heterostructure의 bandgap 변화에 대해 EDISON LCAODFTLab simulator의 DFT기반 전자구조계산을 통해 알아보았다. Graphene 상에 BN-doping 형태로 주어진 여러 heterostructure의 전자구조계산을 통해 태양전지의 이론적 최적효율을 나타내는 1.2eV 정도의 값을 갖는 구조를 찾을 수 있었다.

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• 연구 주제
• 연구 방법
• 연구 결과

문제 정의

• (a) graphene, (b) h-BN, (c) BN nanoribbon, (d) twisted BN nanoribbon, (e) h-BN nanoribbon, (f ) h-BN quantum dot, (g) carbon nanoribbon, (h) X 모양의 BN heterostructre, (i) diagonal carbon nanoribbon. (j) diagonal h-BN nanoribbon을 통한 이론적인 밴드구조를 관찰하는 것을 목표로 하였다.
• Shinde, P. P., & Kumar, V. (2011) 의 72 supercell 선행연구와 공정을 통한 macroscale의 연구[9]가 수행되고 있기 때문에, 본 연구는 특정하게 주어진 18 supercell 내의 sub-nanoscale의 atomic substitution.
• 본 연구는 Figure 1. 의 graphene 구조에 h-BN(hexagonal Boron Nitride) 및 BN (Boron Nitiride) 을 혼합하여 태양전지 응용을 위한 1.2eV 정도의 bandgap을 가지는 구조를 찾는 것을 목적으로 한다.

가설 설정

• 총 원자개수가 18개인 supercell[Figure1]을 바탕으로 탄소 원자를 동일한 갯수의 N또는 B원자 쌍으로 치환하는 방식으로 혼합 구조를 생성하였다. 계산의 편의를 위해 실제 graphene과 h-BN 결정구조간의 mismatch가 매우 작으므로 graphene/BN 혼합구조의 원자 간 거리는 graphene 구조의 거리와 같다고 가정하고 시뮬레이션을 수행하였다.

제안 방법

• (2011) 의 72 supercell 선행연구와 공정을 통한 macroscale의 연구^[9]가 수행되고 있기 때문에, 본 연구는 특정하게 주어진 18 supercell 내의 sub-nanoscale의 atomic substitution. 또 이 18 unit supercell 시뮬레이션 결과 목표로 하는 적절한 특성을 가진 구조를 대상으로 72 atoms supercell으로 확장하여 같은 전기적 특성을 측정하였다.
• 본 연구에서는 제시된 graphene/h-BN heterosturcture의 전기적 특성을 얻기 위해 EDISON 나노물리의 LCAODFTLab simulator를 통해 밀도 범함수이론 (Density functional thoery, DFT) 을 기반으로 전자구조 계산을 수행하였다. 전자구조 계산을 위한 교환-상관함수 (Exchange correlation functional) 로 local-density approximation (LDA) 를 이용하였다.
• 총 원자개수가 18개인 supercell[Figure1]을 바탕으로 탄소 원자를 동일한 갯수의 N또는 B원자 쌍으로 치환하는 방식으로 혼합 구조를 생성하였다.

데이터처리

• 𝐸𝐶, 𝐸B, 𝐸N 의 경우 미리 계산된 EC= − 145.68 eV, EB = −75.29 eV, EN = −263.43 eV의 값을 이용하였고, 𝐸CBN 값은 LCAODFTLab을 통한 SIESTA DFT 계산을 통해 도출된 값을 통해 cohesive energy의 값을 계산하였다.

이론/모형

• SIESTA연산을 위한 결정구조의 cell vector 는 𝑘1 = ( 6.3912, −3.69, 0 ) , 𝑘2 = ( 6.3912, 3.69, 0 ) , 𝑘3 = ( 0, 0, 10.0 )을 사용하였고, Monkhorst-Pack 방법을 사용한 K-samping값은 5 × 5 × 1값을 사용하였다.
• 본 연구에서는 제시된 graphene/h-BN heterosturcture의 전기적 특성을 얻기 위해 EDISON 나노물리의 LCAODFTLab simulator를 통해 밀도 범함수이론 (Density functional thoery, DFT) 을 기반으로 전자구조 계산을 수행하였다. 전자구조 계산을 위한 교환-상관함수 (Exchange correlation functional) 로 local-density approximation (LDA) 를 이용하였다. SIESTA연산을 위한 결정구조의 cell vector 는 𝑘₁ = ( 6.

성능/효과

• 본 연구와 기존의 연구결과^[4]를 종합할 때, heterostructure내에서 BN doping구조가 nanoribbon 또는 dot/well 형태를 가질 때 1~2eV정도의 bandgap을 가지는 혼합구조를 찾을 수 있음을 확인하였다. 역시 동일한 방법을 이용해서 1.
• 추가적으로 Fig 3. 에서 고찰한 구조에 대해 4배 확장한 72 atoms supercell을 만들어 시뮬레이션한 결과 각각 1.13eV^{[Fig 2. (c)]}, 1.2eV^{[Fig 2. (e)]}, 1.27eV^{[Fig 2(j)]}의 bandgap 값이 나왔으므로, 더 큰 cell에서도 동일한 전기적 특성을 가지는 것을 확인할 수 있었다.

후속연구

• (c), (e), (j)], 더 큰 72 supercell 구조에서도 동일한 결과를 얻을 수 있었다. 이러한 특성을 이용하면 더 큰 규모의 구조를 형성할 때도 적절한 bandgap 특성을 지니는 graphene기반 heterostructure 구조를 형성할 수 있을 것이다.

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