journal article·2011-05-24

Control of Thermal and Electronic Transport in Defect-Engineered Graphene Nanoribbons

Justin Haskins, Alper Kınacı, Cem Sevik, Hâldun Sevinçli, Gianaurelio Cuniberti, Tahir Çağın

ACS Nano· Volume 5· Issue 5
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Abstract

The influence of the structural detail and defects on the thermal and electronic transport properties of graphene nanoribbons (GNRs) is explored by molecular dynamics and non-equilibrium Green's function methods. A variety of randomly oriented and distributed defects, single and double vacancies, Stone-Wales defects, as well as two types of edge form (armchair and zigzag) and different edge roughnesses are studied for model systems similar in sizes to experiments (>100 nm long and >15 nm wide). We observe substantial reduction in thermal conductivity due to all forms of defects, whereas electrical conductance reveals a peculiar defect-type-dependent response. We find that a 0.1% single vacancy concentration and a 0.23% double vacancy or Stone-Wales concentration lead to a drastic reduction in thermal conductivity of GNRs, namely, an 80% reduction from the pristine one of the same width. Edge roughness with an rms value of 7.28 Å leads to a similar reduction in thermal conductivity. Randomly distributed bulk vacancies are also found to strongly suppress the ballistic nature of electrons and reduce the conductance by 2 orders of magnitude. However, we have identified that defects close to the edges and relatively small values of edge roughness preserve the quasi-ballistic nature of electronic transport. This presents a route of independently controlling electrical and thermal transport by judicious engineering of the defect distribution; we discuss the implications of this for thermoelectric performance.
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Research context

OpenAlex topics: Graphene research and applications · Thermal properties of materials · Advanced Thermoelectric Materials and Devices

SciVX discovery tags are terminology-based. OpenAlex topics are source-provided classifications.

Affiliations

Artie McFerrin Department of Chemical Engineering

Material Science and Engineering

Institute for Materials Science and Max Bergmann Center of Biomaterials, Dresden University of Technology, 01062 Dresden, Germany

Division of IT Convergence Engineering and National Center for Nanomaterials Technology, POSTECH,Pohang 790-784, Republic of Korea

References (75)

Show source-provided references
1. Geim A. K. · Nat. Mater. · 2007 · 6 · 18310.1038/nmat1849 ↗
2. Geim A. K. · Science · 2009 · 324 · 153010.1126/science.1158877 ↗
3. Castro Neto A. H. · Rev. Mod. Phys. · 2009 · 81 · 10910.1103/RevModPhys.81.109 ↗
4. Novoselov K. S. · Science · 2004 · 306 · 66610.1126/science.1102896 ↗
5. Wakabayashi K. · Phys. Rev. Lett. · 2007 · 99 · 036601-410.1103/PhysRevLett.99.036601 ↗
6. Zhang Y. · Nature · 2005 · 438 · 20110.1038/nature04235 ↗
7. Cresti A. · Nano Res. · 2008 · 1 · 36110.1007/s12274-008-8043-2 ↗
8. Xu X. · Nano Lett. · 2010 · 10 · 56210.1021/nl903451y ↗
9. Nair R. R. · Science · 2008 · 320 · 130810.1126/science.1156965 ↗
10. Seol J. H. · Science · 2010 · 328 · 21310.1126/science.1184014 ↗
11. Balandin A. A. · Nano Lett. · 2008 · 8 · 90210.1021/nl0731872 ↗
12. Ghosh S. · Nat. Mater. · 2010 · 9 · 55510.1038/nmat2753 ↗
13. Cai W. · Nano Lett. · 2010 · 10 · 164510.1021/nl9041966 ↗
14. Faugeras C. · ACS Nano · 2010 · 4 · 188910.1021/nn9016229 ↗
15. Lee C. · Science · 2008 · 321 · 38510.1126/science.1157996 ↗
16. Yamada M. · Phys. Rev. B · 2008 · 77 · 054302-13
17. Dragoman D. · Appl. Phys. Lett. · 2007 · 91 · 203116-3
18. Nakada K. · Phys. Rev. B · 1996 · 54 · 1795410.1103/PhysRevB.54.17954 ↗
19. Son Y.-W. · Nature · 2006 · 444 · 34710.1038/nature05180 ↗
20. Sevinçli H. · Phys. Rev. B · 2008 · 78 · 245402-810.1103/PhysRevB.78.245402 ↗
21. Topsakal M. · Phys. Rev. B · 2008 · 78 · 235435-610.1103/PhysRevB.78.235435 ↗
22. Yan Q. · Nano Lett. · 2007 · 7 · 146910.1021/nl070133j ↗
23. Zuanyi L. · Phys. Rev. Lett. · 2008 · 100 · 206802-4
24. Rycerz A. · Nat. Phys. · 2007 · 3 · 17210.1038/nphys547 ↗
25. Han M. Y. · Phys. Rev. Lett. · 2007 · 98 · 206805-4
26. Ghosh S. · Appl. Phys. Lett. · 2008 · 92 · 15191110.1063/1.2907977 ↗
27. Bae M.-H. · Nano Lett. · 2010 · 10 · 478710.1021/nl1011596 ↗
28. Sevinçli H. · Phys. Rev. B · 2010 · 81 · 113401-410.1103/PhysRevB.81.113401 ↗
29. Zuev Y. M. · Phys. Rev. Lett. · 2009 · 102 · 096807-4
30. Chen Y. · J. Phys.: Condens. Matter · 2010 · 22 · 372202-5
31. Ni X. · Appl. Phys. Lett. · 2009 · 95 · 192114-3
32. Sim D. · J. Phys. Chem. C · 2011 · 115 · 178010.1021/jp1103609 ↗
33. Li X. · Science · 2008 · 319 · 122910.1126/science.1150878 ↗
34. Jiao L. · Nature · 2009 · 458 · 87710.1038/nature07919 ↗
35. Cai J. · Nature · 2010 · 466 · 47010.1038/nature09211 ↗
36. Kong B. D. · Phys. Rev. B · 2009 · 80 · 033406-4
37. Nika D. L. · Phys. Rev. B · 2009 · 79 · 155413-12
38. Lindsay L. · Phys. Rev. B · 2010 · 81 · 205441-610.1103/PhysRevB.81.205441 ↗
39. Saito K. · Phys. Rev. B · 2007 · 76 · 115409-410.1103/PhysRevB.76.115409 ↗
40. Evans W. J. · Appl. Phys. Lett. · 2010 · 96 · 203112-310.1063/1.3435465 ↗
41. Lan J. · Phys. Rev. B · 2009 · 79 · 115401-5
42. Ouyang T. · EPL · 2009 · 88 · 28002-510.1209/0295-5075/88/28002 ↗
43. Guo Z. · Appl. Phys. Lett. · 2009 · 95 · 163103-3
44. Muñoz E. · Nano Lett. · 2010 · 10 · 165210.1021/nl904206d ↗
45. Hu J. · Nano Lett. · 2009 · 9 · 273010.1021/nl901231s ↗
46. Yamamoto T. · Phys. Rev. B · 2004 · 70 · 245402-7
47. Yang N. · Appl. Phys. Lett. · 2009 · 95 · 033107-3
48. Li W. · Phys. Rev. B · 2010 · 82 · 041410-4
49. Tan Z. W. · Nano Lett. · 2011 · 11 · 21410.1021/nl103508m ↗
50. Yong X. · Appl. Phys. Lett. · 2009 · 95 · 233116-3
51. Areshkin D. A. · Nano Lett. · 2007 · 7 · 20410.1021/nl062132h ↗
52. Lherbier A. · Phys. Rev. Lett. · 2008 · 100 · 036803-310.1103/PhysRevLett.100.036803 ↗
53. Mucciolo E. R. · Phys. Rev. B · 2009 · 79 · 075407-510.1103/PhysRevB.79.075407 ↗
54. Dubois S. M.-M. · ACS Nano · 2010 · 4 · 197110.1021/nn100028q ↗
55. Libisch F. · J. Phys.: Condens. Matter · 2011
56. Basu D. · Appl. Phys. Lett. · 2008 · 92 · 042114-3
57. Querlioz D. · Appl. Phys. Lett. · 2008 · 92 · 042108-310.1063/1.2838354 ↗
58. Li W. · Phys. Rev. B · 2011 · 83 · 15541610.1103/PhysRevB.83.155416 ↗
59. Wakabayashi K. · Phys. Rev. Lett. · 2007 · 99 · 036601-410.1103/PhysRevLett.99.036601 ↗
60. Ihnatsenka S. · Phys. Rev. B · 2009 · 80 · 201407-4
61. Lin Y.-M. · Phys. Rev. B · 2008 · 78 · 161409-4
62. Tersoff J. · Phys. Rev. B · 1989 · 39 · 556610.1103/PhysRevB.39.5566 ↗
63. Wang Z. · Nano Lett. · 2011 · 11 · 11310.1021/nl102923q ↗
64. Che J. · Nanotechnology · 2000 · 11 · 6510.1088/0957-4484/11/2/305 ↗
65. Fujita M. · J. Phys. Soc. Jpn. · 1996 · 65 · 192010.1143/JPSJ.65.1920 ↗
66. Datta S. · Phys. Rev. B · 1987 · 36 · 565510.1103/PhysRevB.36.5655 ↗
67. Markussen T. · Phys. Rev. Lett. · 2007 · 99 · 076803-410.1103/PhysRevLett.99.076803 ↗
68. Sancho M. P. L. · J. Phys. F: Metal Phys. · 1985 · 15 · 85110.1088/0305-4608/15/4/009 ↗
69. Carruthers P. · Rev. Mod. Phys. · 1961 · 33 · 9210.1103/RevModPhys.33.92 ↗
70. Kubo R. · J. Phys. Soc. Jpn. · 1957 · 12 · 57010.1143/JPSJ.12.570 ↗
71. Kinaci A. · J. Chem. Phys.
72. Son Y.-W. · Phys. Rev. Lett. · 2006 · 97 · 216803-4
73. Datta S. · 199510.1017/CBO9780511805776 ↗
74. Lunde A. M. · J. Phys.: Condens. Matter · 2005 · 17 · 3879
75. Zheng X. · J. Chem. Phys. · 2004 · 121 · 853710.1063/1.1803544 ↗