[論文レビュー] Band Gap Opening and Optical Absorption Enhancement in Graphene using ZnO Nanoclusters

M. M. Monshi, Sadegh Mehdi Aghaei+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 19, 2017

Graphene research and applications参考文献 23被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、第一原理的密度汎関数理論を用いてグラフェン/ZnOナノクラスター異質接合を調査し、Zn12O12クラスターがグラフェンに14.5 meVのバンドギャップを誘導することを示した。また、可視光から赤外線にわたるスペクトル範囲で光学吸収が1.67倍に向上し、やや非線形なI-V特性を示すことが判明した。これは、光検出およびエネルギー回収デバイスへの強い応用可能性を示唆している。

ABSTRACT

Electronic, optical and transport properties of the graphene/ZnO heterostructure have been explored using first-principles density functional theory. The results show that Zn12O12 can open a band gap of 14.5 meV in graphene, increase its optical absorption by 1.67 times covering the visible spectrum which extends to the infra-red (IR) range, and exhibits a slight non-linear I-V characteristic depending on the applied bias. These findings envisage that a graphene/Zn12O12 heterostructure can be appropriate for energy harvesting, photodetection, and photochemical devices.

研究の動機と目的

• グラフェンとZnOナノクラスターを界面結合させた際の電子的および光学的性質を調査すること。
• ZnOナノクラスターが、もともとゼロギャップである真性グラフェンにバンドギャップを誘導できるかどうかを特定すること。
• 可視光および赤外線波長領域におけるグラフェン/ZnO異質接合における光学吸収の増幅を評価すること。
• 特に非線形I-V応答に注目して、外部電圧を印加した際の電気的輸送特性を分析すること。
• この異質接合が、オプトエレクトロニクスおよびエネルギー変換用途に実用可能かどうかを評価すること。

提案手法

• グラフェン/ZnO異質接合の電子構造をモデル化するために、第一原理的密度汎関数理論（DFT）を用いた。
• 単層グラフェンシートとの相互作用を模擬するために、Zn12O12ナノクラスターを用いた。
• バンド構造および状態密度の計算により、グラフェンにおけるバンドギャップの開きを分析した。
• 可視光および赤外領域における吸収スペクトルを決定するために、光学応答計算を実施した。
• さまざまなバイアス電圧下での電流-電圧（I-V）特性をシミュレートし、非線形輸送挙動の評価を実施した。
• 標準的な交換相関関数およびスラブ幾何学における周期的境界条件を用いて、結果の妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ZnOナノクラスターは、界面相互作用によってグラフェンにバンドギャップを誘導できるか？
• RQ2 ZnOナノクラスターは、可視光および赤外線スペクトル範囲において、グラフェンの光学吸収をどの程度向上させるか？
• RQ3 外部バイアスを印加した場合、グラフェン/Zn12O12異質接合における電気的輸送特性の性質は何か？
• RQ4 Zn12O12クラスターと結合した際、グラフェンの電子構造はどのように変化するか？
• RQ5 この異質接合は、実用的なオプトエレクトロニクスおよびエネルギー回収応用にどの程度の可能性を秘めているか？

主な発見

• Zn12O12ナノクラスターは、グラフェンに14.5 meVのバンドギャップを誘導し、半導体的挙動の可能性を示した。
• 異質接合における光学吸収は、純粋なグラフェンと比較して1.67倍に増加し、可視光から赤外線の波長範囲をカバーした。
• 強化された光学吸収は赤外領域まで拡張されており、広帯域光検出に有用である可能性を示唆した。
• 外部バイアスを印加した場合、わずかに非線形なI-V特性を示し、電子的応答のチューナブル性を示した。
• バンドギャップの開きは、グラフェン-ZnO界面における対称性の破れおよび強い軌道混合に起因するとされた。
• これらの結果は、グラフェン/Zn12O12異質接合が、光検出器、太陽電池、および光化学デバイスへの応用に実現可能であることを支持した。