Sensitivity Properties of Graphene with Metal Nanoparticles

Abstract

У роботі досліджено вплив наночастинок металу на властивості чутливості графена відносно молекул газу, адсорбованих на його поверхні на прикладі наночастинок міді. Вплив атома металу враховується шляхом зміни стрибкового інтегралу для прилеглих до нього областей. Такі особливості зумовлені наявністю металевих наночастинок на поверхні графенової нанострічки, яка змінює гібридизацію пі-електронів у безпосередній близькості до місця адсорбції атома металу. Перш за все, ми використовуємо перехід від двовимірного масиву, що відповідає ділянкам площини графена, до одновимірного масиву для визначення щільності станів системи що розглядається. По-друге, ми грунтуємося на чисельній діагоналізації гамільтоніана для прямокутної нанострічки графена у наближенні жорсткого зв’язку. Це дозволяє оцінити реакцію системи на основі вольт-амперної характеристики для тунельного контакту нанострічки графена з різними матеріалами. У роботі ми вибираємо метал та квантові точки. Найкращі результати були продемонстровані щодо чутливості до адсорбованих молекул газу для контактів з цими матеріалами. У цьому випадку тунельна щільність струму обчислюється із щільності станів системи. Оздоблення площини графена мідними наночастинками суттєво змінює опір у тунельному контакті нанострічки з квантовими точками або з металом. Також ми спостерігаємо підвищення чутливості графенових нанострічок до домішок із збільшенням концентрації металевих наночастинок. Таким чином, ми пропонуємо підхід, заснований на вивченні тунельного струму, який має ряд переваг, оскільки дозволяє оптимізувати вибір другого зразка для досягнення найбільшої чутливості. Не менш важливим є той факт, що різні типи контактів можуть бути більш оптимальними для визначення різних типів домішок.

In this paper, we investigate the influence of metal nanoparticles on the sensitivity properties of graphene with respect to gas molecules adsorbed on its surface on the example of copper nanoparticles. The influence of the metal atom is taken into account by changing the hopping integral for the regions adjacent to it. Such features are due to the presence of a metal nanoparticle on the surface of a graphene nanoribbon which changes the hybridization of pi electrons in the immediate vicinity of the adsorption site of a metal atom. First of all we use the transition from a two-dimensional array corresponding to the sites of the graphene plane to a one-dimensional array for the determination of the density of states of the system under consideration. Secondly, we are based on the numerical diagonalization of the Hamiltonian for rectangular graphene nanoribbon in the tight-binding approximation. It allows us to estimate the response of the system based on the current-voltage characteristic for the tunneling contact of the graphene nanoribbon with different materials. In this paper we choose metal and quantum dots. The best results have been demonstrated in terms of sensitivity to adsorbed gas molecules for contacts with these materials. In this case, the tunnel current density is calculated from the density of states of the system. Decorating the graphene plane with copper nanoparticles significantly changes the resistance in the tunneling contact of the nanoribbon with the quantum dots or with the metal. Also we observe an increase in the sensitivity of graphene nanoribbons to impurities with an increase in the concentration of metal nanoparticles. Thus, we propose an approach based on the study of tunneling current, which has several advantages, since it allows optimizing the choice of the second sample to achieve the highest sensitivity. Equally important is the fact that various types of contacts may be more optimal for determining various types of impurities.