可変窒素置換サイトを持つグラファインナノ接合のスピン分解電子・輸送特性

概要

二次元グラファインナノリボンおよびナノ接合に関する理論的研究が急速に進展する中、本研究では中央の炭素六員環に非対称に窒素（N）を置換したアームチェア型γ-グラファインナノリボン（AγGYNR）ベースの接合について、電子バンド構造と輸送特性を調査した。第一原理計算を用いた結果、単一または二重のNドーピングの数と位置が電子エネルギー帯を効率的に制御でき、接合中央のNドープ六員環が電荷輸送において重要な役割を果たすことが明らかになった。特に負の微分抵抗（NDR）効果が観察され、そのピーク・ツー・バレー比は最大36.8に達した。興味深いことに、中央散乱領域に長い分子鎖を持つNドープ接合では、より顕著なNDR挙動が誘起される。微視的機構の解析によると、非対称Nドープ接合に長い分子鎖を導入することで、高バイアス電圧下でバイアスウィンドウ内に輸送チャネルが出現し、より顕著なパルス状の電流-電圧特性が生じることが示された。さらにスピン注入を考慮すると、NDRと整流効果が組み合わさった興味深い挙動が得られ、将来のスピントロニクスデバイスへの応用が期待される。

導入

いくつかの二次元（2D）炭素材料がスピントロニクスデバイスの有力候補として示されてきた[1-5]。近年、2D炭素材料に関する実験的研究もこの分野で多数報告されている[6-11]。特にグラフェン[12-15]、グラファイン[16-19]のナノ構造および関連デバイス[20-22]が理論的に提案されてきた。その後、これらのデバイスにおいて整流[12, 20]、スイッチング[13, 23]、負の微分抵抗（NDR）[23-25]、スピンフィルタリング[26-28]などの有用な効果が観察されている。さらに、優れた電子・輸送特性のため、グラフェンとグラファイン材料はスピントロニクス分子接合の電極材料として考えられている[4, 33]。

グラフェンナノリボンは実験的に様々な構造に加工・切断され、分子デバイスとして利用可能であることが知られている[29, 30]。同様にグラファイン構造[17-19, 31, 32]も炭素原子で構成され、グラフェンより調整可能な電子・輸送特性を持つ。最近では、グラジイン薄膜がクロスカップリング反応法により銅表面上で生成可能であることが実証された[8]。Zhouらにより、修正Glaser-Hayカップリング反応を用いたグラジインナノウォールの合理的合成法も報告されている[9]。しかし、関連する実験的観察は長らく課題となっていた。時間の経過とともに、グラファインナノリボンもクロスカップリング反応法や透過電子顕微鏡内での高エネルギー電子照射[8, 29, 30]を用いて実験的に接合へと加工されることが期待されている。さらに、高いキャリア移動度と優れた電子特性[4, 33]を持つため、α-[34, 35]、β-[36]、γ-[37]、6,6,12-[27]、α-2-[38]、δ-[39]、14,14,14-グラファイン[40]、および関連ヘテロ接合[41, 42]などのグラファイン構造が理論面で注目を集めている。しかし、二つの半無限大γ-グラファインナノ電極間に挟まれた、長さ制御された複数の分子単位からなる分子鎖の輸送特性に関する研究は不足している。

γ-グラファインナノリボン（γGYNR）[43]はアームチェア型とジグザグ型のエッジに分類され、エッジの種類によらず半導体的挙動とバンドギャップを示す[18]。特にアームチェア型γGYNR（AγGYNR）は、ジグザグ型ナノリボンより大きなバンドギャップを持つため[18]、スピントロニクスや分子接合への利用はジグザグ型ほど進んでいない[44-46]。しかし、Nドーピングがグラフェンとグラファインの電子・輸送特性を変化させ、バンドギャップを縮小できることが報告されている[47-51]。実験的にはグラフェンシートへのNドーピングが実施されている[52, 53]。γGYNRはグラフェンのように小さなキャリア有効質量と高いキャリア移動度を持つ半導体であると予測されている[4]。これまでのドーパントに関する理論研究でも、GYNRの興味深い電子・輸送特性が示されている[49, 50, 54, 55]。グラジインNRs[8, 9]やNドーピングあり/なしのデバイス[56, 57]に関する実験的研究も最近報告されている。また、γGYNRにおける二つの炭素六員環間のアセチレン結合は、n型またはp型半導体として様々なドーパントを実現する天然の孔を提供する。したがって、本研究ではAγGYNRの提案接合における単一または二重Nドーピングを検討することが重要である。

二つの半無限大AγGYNR間に挟まれた長さ調整可能な分子鎖の、異なるN置換位置におけるスピン電子・輸送特性を深く理解するため、第一原理計算とLandauer-Büttikerアプローチを組み合わせた計算を行った。理論シミュレーションの結果、Nドーピングが3-AγGYNR接合のエネルギーギャップを効率的に縮小し、M₂の単一NドーピングとM₆の二重Nドーピングでエネルギーバンドのスピン分裂が誘起されることが示された。Nドーピングなしの3-AγGYNR接合では、散乱領域の繰り返し単位数が増えると輸送電流が弱まるが、単一または二重N置換を持つ接合では長い分子鎖で電流が増強される。興味深いことに、M₂とM₆のNドーピング接合で整流と顕著なNDR効果が観察された。これらの挙動は、二つの電極と散乱領域の結合差に起因する。NDR挙動の微視的機構を説明するため、非対称Nドープ接合に長い分子鎖を含めることで、高バイアス下でバイアスウィンドウ内に開いた輸送チャネルが存在するため、より顕著なパルス状の電流-電圧依存性が生じることが示された。さらに、N置換位置を持つ六員環が輸送プロセスに重要な影響を与えることがわかった。

モデリングと計算手法

一つのベンゼン環と一つのアセチレン結合からなり、Nドーピングあり/なしの1～4個の繰り返し分子単位からなる分子ワイヤーが、図1の中段に4つの緑色破線長方形で示されている。N置換位置を持つ分子鎖の散乱領域は、対称な二つの半無限大AγGYNRの間に挟まれており、それぞれ1繰り返し分子鎖（A）、2繰り返し分子ワイヤー（B）、3繰り返し分子鎖（C）、4繰り返し分子鎖（D）が適用されている。ここではπ-σ-πアーキテクチャの対称構造を持つ3-AγGYNRを電極として選択した。左リード、散乱領域、右リードが設計ナノ接合に含まれ、デバイス端の全炭素原子は水素原子で終端され構造の安定性が向上されている[18, 43, 45, 46]。提案デバイスでは、分子鎖は他の構造と同様に[29, 30, 56]、機械的手法や化学反応によりγGYNR全体から直接接合へと引き出し・加工可能である。明確化のため、図1の上段メインビューには単一N置換位置を中央に持つスーパーユニットセル（図1下段第2図のM₁）を用いた。便宜上、C₆環の原子置換位置を赤枠下の番号1, 2, 3, 4, 5として番号付けした。同様に、Nドーピングなしの素デバイスをM₀、2種類の典型的単一N置換位置（原子位置1または2を置換）を持つモデルをM₁とM₂、5種類の典型的二重Nドーピング（原子位置1/5, 2/3, 2/4, 1/4, 1/2を置換）を持つモデルをM₃～M₇と命名した。図1メインビューの赤色網掛け部分（破線長方形で囲まれた領域）がナノリボンの周期的スーパーセルであり、これが8モデルで置き換えられる。したがって、合計32の典型的モデルを研究した。例えば、4繰り返し分子単位を持つ分子鎖を含む、単一N置換位置1のM₁接合はM₁Dと呼ばれる。

まず、Atomistix ToolKit（ATK）パッケージ[46-48, 58]を用いた密度汎関数理論計算により、全ユニットセルと分子接合の構造を最適化した。最適化結果によると、窒素と炭素原子の結合距離は1.43Åに近づき、γGYNRsにおけるC-C結合長（1.43～1.46Å）[31, 59]と類似しており、炭素原子の置換に適している。また、最近隣ベンゼン間のC≡C結合も最適化後も安定している。全エネルギーが低い構造をモデルとして採用した。単一Nドーピングを持つスーパーユニットセル間のエネルギー差は0.57eV、二重Nドーピングでは1.63eVまで増大し、実験的実現が比較的容易と考えられる。したがって、これらの分子接合はNドーピングを用いた新デバイスとして適用可能である。詳細な計算パラメータは以下の通り。ノルム保存擬ポテンシャルと、Perdew-Burke-Ernzerhof汎関数を用いたスピン一般化勾配近似を交換相関ポテンシャルに用いた[60-62]。計算幾何構造は、全原子に働く残留力が0.02eV/Å未満になるまで最適化した。電子構造計算には、ブリルアンゾーンで1×1×15のMonkhorst-Pack k点グリッドを採用した。スピン依存輸送計算のための逆空間サンプリングMonkhorst-Packメッシュは、x, y, z方向でそれぞれ1, 1, 100とし、カットオフエネルギーを150Ryとした。全元素（C, H, N）に二重ζ偏極基底を設定した。全エネルギーの収束基準は10⁻⁵eVとした。輸送方向をz軸としたため、周期像間の相互作用を避けるため層間真空距離約25Åを用いた[63, 64]。エネルギー（E）とバイアス電圧（V）の関数としての透過スペクトルは以下で定義される：

$$ T(E,V)=\mathrm{Tr}\left[{\Gamma}_L(E,V){G}^R(E,V){\Gamma}_R(E,V){G}^A(E,V)\right] $$

ここで、G^R(A)は中央散乱領域の遅延（先進）グリーン関数、Γ_L(R)は左（右）電極の結合行列である。スピン輸送電流はLandauer-Büttiker公式[65-68]を用いて計算される：

$$ I(V)=\left(\frac{e}{h}\right){\int}_{\mu_L}^{\mu_R}T(E,V)\left[f_L(E-\mu_L)-f_R(E-\mu_R)\right]dE $$

ここで、μ_L/R = E_F ± eV/2は、外部電圧V下で両リードに共通のフェルミエネルギー（E_F）を基準とした電気化学ポテンシャル、フェルミ・ディラック分布関数は左/右リードで\( f_{L/R}(E)=1/\left[1+e^{(E-\mu_{L/R})/\kappa_BT}\right] \)である。

結果と考察

実用的な電子バンド構造計算を行うため、リボン軸であるz方向に沿ったNドーピングを持つ周期的スーパーユニットセルを考慮した。対比観察の利便性のため、M₀～M₇の全ユニットセルを図2a-hに図示形式で示した。提案接合では、N置換位置を含む中央六員環が輸送特性に大きな影響を与えると考えられる。したがって、Nドーピングされた中央C₆環を青色破線枠と青色網掛け領域で囲み、その領域の投影状態密度（PDOS）も計算し、図2a-hの右パネルに示した。

まず、AγGYNRの構造的・電子的特性を調査した。図2aに示すM₀の素スーパーセルの電子バンドでは、AγGYNRが1.16eVの直接エネルギーギャップを持つ半導体であることがわかる。最下伝導帯と最高価電子帯はそれぞれπ*とπサブバンドに由来する[37, 69]。しかし、図2b, cの単一N置換位置を持つM₁とM₂では、明確な不純物バンドがフェルミレベルを貫き、ゼロエネルギーギャップを生じる。興味深いことに、M₂の電子バンド構造はスピン分裂を示す。単一Nドーピングの導入によりブリルアンゾーン境界でのエネルギーギャップが狭まり、M₁とM₂のバンド構造は金属的性質を示す。システムのユニットセルが二重NドーピングされたM₃～M₇（図2d-h）では、バンド構造に新たな特性が発見された。M₃, M₄, M₇のエネルギーギャップは、素構造へのドーパント導入によりそれぞれ0.06, 0.04, 0.44eVに縮小し、二重Nドーピング後も半導体であることがわかる。一方、M₅とM₆のバンド構造は図2f, gでゼロバンドギャップの金属性を示し、輸送挙動において重要である。同様に、二重ドープ構造M₆で電子バンド構造のスピン分裂が生じる（図2g）。金属性の出現は、AγGYNRの中央C₆環における典型的N置換位置に依存することに注意されたい。後に示すように、中央C₆環部分が本研究で報告するAγGYNRの伝導特性に確かに影響を与える。

N置換位置の影響を深く説明するため、AγGYNRのスピン密度分布からN原子上のスピン依存電子を特定できる（図2a-hの各インセット参照）。図2c, gに明確に示されるように、単一または二重N原子の導入によりスピン依存電子散乱が増大し、素構造（図2a）と比較してAγGYNRの磁性が増強される。一方、図2d, fでも比較的豊富な電子ホッピングと散乱が見られる。これら4つのスピン密度図では、スピン依存電子分布が全ユニットセルに広がっており、電荷輸送に寄与する。しかし、図2b, eでは電子密度分布がインセット中央部分に部分的に局在し、図2hでは中央と下部に局在する。したがって、スーパーセルの中央六員環内のドーパントが電子バンドに主要な影響を与える。この観察は、提案構造のC₆環領域に移される。

さらに、8モデルが図2a-hの右パネルインセットに示され、N置換位置を持つ六員環が青色網掛け破線枠で囲まれている。六員環のPDOSが図2a-hの右パネルにプロットされている。結果は、M₀～M₇の指定領域のPDOSが対応する電子バンド構造とよく一致することを示唆している。特に、フェルミレベル近くのπ*とπサブバンドは主に六員環の寄与に由来する。M₀の元モデル（図2a）では、E_F周辺にPDOSピークがなく広いエネルギーギャップが生じ、半導体特性を示す。C₆環の典型的C原子が単一または二重N原子で置換されると（M₁～M₇）、PDOSの二重ピークがE_Fに近づき、バンドギャップの減少に寄与する。例えば、M₁とM₄（図2b, e）ではフェルミレベル周辺に2つの高いPDOSピークが存在し、第一ブリルアンゾーンでのバンドギャップ縮小に大きく寄与する。より興味深いのは、M₂とM₆（図2c, g）でスピンアップとスピンダウンのエネルギーバンドが分裂し、スピンアップ（スピンダウン）PDOSがより低い（高い）エネルギー状態に移動することである。しかし、M₃, M₅, M₇（図2d, f, h右パネル）でもフェルミレベル近くに2つの分離したPDOSピークが存在し、π*とπサブバンドの出現に寄与する。したがって、M₀～M₇の中央C₆環部分におけるNドーピングは重要な課題であり、これら8つの元スーパーセルから設計されるAγGYNRの電子輸送をさらに研究することは興味深い。

AγGYNRの輸送特性を説明するため、NドープAγGYNRの透過経路をプロットし、ナノリボンの透過確率を図3に示した。M₀とM₇では透過経路が途切れて輸送チャネルがなく、電子のホッピングと散乱が左電極のみに現れるため、それらの透過経路分布はここでは省略する。表示された6デバイス（M₁～M₆）はすべて図3a-fで完全な輸送チャネルを示し、電子が左リードから右リードへ流れることを示唆している。実際、Nドーピングの導入により電子は中央散乱領域を通過できる。図3a, bのM₁, M₂では、電子遷移が最近隣原子間だけでなく次近接原子間でも起こる。同様に、M₃～M₆で二重Nドーピングを適用すると（図3c-f）、次近接原子間により豊富な電子遷移が起こる。

さらに中央散乱領域の分子鎖に焦点を当てると、表示された全モデルで次近接電子遷移がN原子周辺で起こることがわかる（図3）。したがって、Nドーピングは電子遷移に重要な作用を果たし、図4のより強い電流に寄与する。より興味深いことに、ほとんどの透過経路がAγGYNRのC₆環に局在しており、NドープC₆環がこれらナノ接合の主要な寄与を担っていることが示される。図3左列のM₁, M₃, M₅では透過経路が分子鎖に沿って対称分布するが、右列のM₂, M₄, M₆（図3b, d, f）では散乱領域の第4分子でより弱い電子遷移傾向を示す。したがって、4繰り返しスーパーユニット以上の長い分子鎖はこれら典型的接合には不向きである。特に、M₅の電子遷移経路（図3e）は他より多くの輸送チャネルの可能性を分布させる。M₅, M₆の二重Nドーピング原子の存在により、分子鎖の上端で電子の後方散乱傾向が増強される（図3e, f）。結果として、NドーパントはAγGYNR接合の電荷輸送に重要な影響を与える。さらに、M₂とM₆の非対称な透過経路分布（図3b, f）は興味深い物理現象を示唆している。対応する考察を継続して展開する。次に、これらの接合の電流曲線を示し、さらなる興味深い現象を探る。

これらの二プローブ接合の輸送特性をさらに理解するため、長さの異なる4種類の分子鎖を持つAγGYNR接合のI-V曲線を図4にプロットした。本研究はN置換位置によって生成される構造に焦点を当てており、分子鎖長が構造依存輸送特性に与える影響は明示的に考慮していない。素デバイスM₀を図4aで調査した。約1.2Vの閾値電圧があり、これ以下ではバイアス電圧増加に伴いコンダクタンスギャップが増大し、左右リードのバンド構造シフト（図2a参照）に起因する。したがって、4デバイスM₀A～M₀Dで極めて弱い電流が存在する（明確化のため、バイアス範囲[0, 1.0V]でI-V曲線図を拡大表示）。印加電圧が1.2Vを超えると、分子鎖が長いほど電流が弱まることがわかり、分子鎖が左から右電極への電子ホッピングを阻害することを示唆する。対応する説明は図5aに示され、E_F近くの透過ピークに注目している（電流は透過ピークに大きく寄与するため[18, 20]）。M₀Aの透過スペクトルはフェルミレベル周辺に複数のピークを持つが、分子リンク長の増加に伴いM₀AからM₀Dへ向かって透過ピークが低下する。明確化のため、図5aのインセットでM₀CとM₀Dの増幅ピークを示し、電流減少を説明している。確かに、素AγGYNRはスピン（電子）接合構築の完璧な電極ではないため、N置換位置の問題を考慮する必要がある。

デバイスが位置1（M₁）または位置2（M₂）で単一N原子でドープされると、逆の状況が生じ、図4b, cで全電流が増強されることがわかる。V ≤ 1.2Vで電流が大きな値を得、M₁A～M₁Dではバイアス増加に伴い電流が減少する（図4b）。明確なNDR挙動が観察され、0.6～1.6Vの間で電流のディップが生じる。同様のI-V曲線で、M₂BでもNDR効果が見られる（図4c）。ピーク・ツー・バレー比（PVR）の最大値は5.6に達する。しかし、他の曲線は図3bの非対称輸送経路に起因する異なる興味深い特徴を示し、後で新たな物理効果として議論される可能性がある。

さらにドーパントの影響を比較するため、4繰り返し分子鎖を持つM₀, M₁, M₂のI-V曲線を図4dにプロットし、AγGYNRの単一Nドーピングが電荷輸送を効果的に増強し、強い電流を生じることを示した。したがって、赤線（M₁D）と青線（M₂D）の値は黒線（M₀D）より大きい。図5bから、M₁Dの輸送ピークが-0.26eV ≤ E ≤ 0.8eVのエネルギー範囲に広がり、電子が中央散乱領域を流れるのに寄与している。M₂D（青線）ではフェルミレベル周辺に鋭い輸送ピークが存在するが、前者よりわずかに低いため、相対的に弱い電流曲線となる。確かに、M₀Dの輸送ギャップはゼロ（図5b黒線参照）であり、ほぼゼロ電流となる。E > 1.0eVに多くの輸送ピークが存在するが、AγGYNRベースデバイスの輸送特性への寄与は微小である。したがって、単一Nドーピングは設計ナノ接合での電子散乱とホッピングを促進する効果的手法である。

素デバイスが二重N原子でドープされると、計算結果はドーパントの置換位置による化学修飾で全電流が変化することを示唆する。図4eでは、M₄DとM₅Dの電流がM₃D, M₆D, M₇Dの3つより大きい。M₅Dの青線はバイアス電圧の関数としてほぼ直線的に増加し、高バイアスで大きな電流が生じるが、M₄Dの赤線は非線形曲線で、低電圧でより大きな電流を示す。これは、図5cの赤透過ピークがフェルミレベル周辺に局在し低バイアスで伝導しやすいのに対し、青透過ピークはゼロエネルギーレベルから離れており、輸送チャネルを開くのに高電圧を必要とするためである。したがって、M₄Dの電流は低バイアス[0, 1.2V]でM₅Dより大きいが、高バイアスでは逆転する。

前述の通り、3接合の透過スペクトルはすべてフェルミレベル近くに多くの透過ピークを持つ（透過係数はE_Fでゼロ）（図5d）、したがって低電流となる。特に、黄色線の正エネルギー側に多くの高いピークが存在し、顕著なNDR効果の出現を支持する。M₆のNDR現象を深く観察するため、M₆AからM₆Dまでの全I-V特性をプロットし、分子鎖長の増加に伴いNDR効果が強化されることを見出した。PVRはM₆Aで1.7からM₆Bで5.4に増加し、M₆Cの12.8からM₆Dで最大24.5に達する。分子鎖長がNDR挙動の発生と強度を効率的に制御できることに注意されたい。

一方、バイアス電圧の関数としての計算スピン分解電流も、M₂DとM₆Dで図6に示され、スピンデバイスの興味深い特徴を明確に観察できる。全バイアス電圧範囲で、両モデルデバイスが図6a, bで明確な非対称パルス状I-V挙動を示し、完全なNDR現象を生じる。M₂Dのスピンアップ電流はPVR 18.9でNDR効果を示す（図6a）；一方、M₆Dのスピンアップケースでは0.8～1.6Vの間でPVR最大36.8に達し（図6b）、スピンダウンケースでも1.2～1.6Vで24となる。特に、モデル2D（図6a）では両スピン方向で正電流が負電流より強く、このデバイスに整流効果が存在することが示唆される。整流比（RR）は[70]で以下のように定義される：RR(%) = I(V)/|I(-V)| × 100%（スピンアップ/スピンダウン電流について）。スピンアップとスピンダウンケースの整流比差では、±0.6Vでスピンアップ電流RR 480%、スピンダウン電流RR 440%となる。実用応用の観点から、Nドーピングはバンド構造に影響を与えるだけでなく[71, 72]、デバイス挙動も制御できる。これらの効果を説明する固有の物理化学的機構が利用可能である。

上記整流現象の対応機構を分析するため、M₂Dの±0.6Vバイアスでのスピン依存バンド構造と分子接合の透過スペクトルを図7に示した。素分子接合に単一Nドーピングを導入すると、デバイス左電極のスピンアップ電子バンドが負エネルギー方向にシフトし、右電極では正方向に移動する傾向がある（図7a）。したがって、左リードのサブバンドが右リードのものとE ≈ 0.25eVで結合し、透過ピークがバイアスウィンドウ内に移動し、0.6Vで輸送チャネルが開き電荷輸送に寄与する。ナノデバイスに-0.6V電圧を印加すると（図7b）、左右電極のエネルギーバンドが逆方向に移動する。左右電極のサブバンドは依然として互いにマッチするが、バイアスウィンドウ内で透過確率がほぼゼロであり、V_b = -0.6Vでの低電流の理由となる。これにより整流挙動が得られる。一般に、整流現象は非対称分子構造でよく起こる[20]ため、分子デバイスの非対称性がこの挙動生成の主理由である。

提案モデルで多くのNDR効果が観察されたため、NDRの基盤をよりよく解釈するために図8に関連図を示した。例えば、予想通りM₆Dのスピンアップ方向で0.8～1.6VにNDRが生じ、高PVR 36.8を示す例を選んだ。0.8Vバイアス下では、左サブバンドが右サブバンドと強くマッチし、最下空分子軌道（LUMO）が図8aで重要な役割を果たし、スピンアップ電子ホッピングの散乱チャネルが許容される。図8aの矢印付き緑破線は、0.8Vで電子輸送の透過チャネルが開いていることを示す。最高占有分子軌道（HOMO）が第二の役割を果たし、0.8Vでの電子輸送にも寄与する。バイアスが1.6Vまで増加すると（図8b）、バイアスウィンドウのエネルギーも±0.8eVに拡大する。対応するバイアスウィンドウ内に低い透過ピークが出現するが、そのエネルギー領域では両リードのサブバンド間で弱い結合しか見られず、左から右電極への散乱領域で極めて弱い透過ピークが生じる。したがって、二重N置換位置を持つM₆Dのスピンアップ電流に高PVRを含むNDRが生じる。これは、AγGYNRベースのナノ電子デバイス用スピンスイッチの優れた候補となり得る。したがって、スピン分極電流の生成と輸送特性はスピントロニクスデバイスで依然として重要な課題である[73]。

結論

まとめると、密度汎関数理論に基づく包括的アビニシオ計算と非平衡グリーン関数フォーマリズムを組み合わせ、窒素原子を導入した2Dアームチェア3-γ-グラファインシートおよびナノリボンについて調べた結果、よく知られたグラフェンや典型的グラファインとは明らかに異なる多くの電子・輸送特性を持つことがわかった。AγGYNRの単一または二重Nドーピング欠陥の影響を探索することで、ナノリボン中央C₆環におけるドーパント位置にスーパーユニットセルのバンド構造が強く依存することを確認した。狭いバンドギャップを持つ半導体ナノリボンやAγGYNR導体を得ることができる。輸送特性では、異なる長さの分子鎖がナノ電子接合で期待される興味深い負の微分抵抗挙動を誘起する。特に、ナノリボン中央の六員環が輸送特性において重要な役割を果たす。分子鎖が長いほど、N置換位置を含む接合でより顕著なNDR効果が観察される。重要なNドーピングを持つM₂DとM₆D接合では、スピンアップ方向で整流比とピーク・ツー・バレー比の最大値がそれぞれ480%と36.8でスピン分極電流が見出された。AγGYNRの分子接合が将来のナノ電子デバイスへの潜在的応用を持つことを示す独自の物理機構を提案した。