[論文レビュー] Chemical doping-induced gap opening and spin polarization in graphene

I. Zanella S. Guerini, Solange Binotto Fagan+2 more|ArXiv.org|Nov 7, 2007

Graphene research and applicationsMaterials Science被引用数 16

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、CrO₃分子によるグラフェンの化学ドーピングが、吸着サイトおよび分子配向に応じて最大0.12 eVのチューナブルな電子バンドギャップと0.4 μBのスピン分極を誘起することを示した。この効果は、電荷移動と対称性の破れに起因し、スピントロニクスおよびカーボンベースのエレクトロニクスにおける、グラフェンの固有のゼロギャップ半金属的挙動を克服する可能性を秘めている。

ABSTRACT

By using first principles calculations we report a chemical doping induced gap in graphene. The structural and electronic properties of CrO$_3$ interacting with graphene layer are calculated using ab initio methods based on the density functional theory. The CrO$_3$ acts as an electron acceptor modifying the original electronic and magnetic properties of the graphene surface through a chemical adsorption. The changes induced in the electronic properties are strongly dependent of the CrO$_3$ adsorption site and for some sites it is possible to open a gap in the electronic band structure. Spin polarization effects are also predicted for some adsorption configurations.

研究の動機と目的

• CrO₃分子による化学ドーピングが引き起こすグラフェンの電子的および構造的変化を調査すること。
• CrO₃吸着が、ゼロギャップグラフェンにおける最小導電度問題を解決するためのバンドギャップを開くことができるかどうかを特定すること。
• 特定のCrO₃吸着配置を通じて、グラフェンにスピン分極を誘起できる可能性を検討すること。
• 吸着サイト、分子配向および曲率効果が電子的性質に与える影響を分析すること。
• CrO₃機能化グラフェンが、化学センサーやスピンフィルター素子のプラットフォームとしての可能性を評価すること。

提案手法

• 一般化勾配近似（GGA）およびノーマルコンサービング擬ポテンシャルを用いたスピン極化Kohn-Sham密度汎関数理論（DFT）を採用した。
• SIESTAコードを用いて、周期的境界条件を満たす32原子のグラフェンスーパーセル上で完全に自己無撞撃的な計算を実施した。
• 極化関数を含む二重zeta基底関数を用い、電荷密度統合のための200 Ryのカットオフエネルギーを設定した。
• ブリユアンゾーンの収束を確保するため、5×5×1 Monkhorst-Pack kポイントグリッドを用いた。
• 力の大きさが0.05 eV/Å未満になるまで、共役勾配法を用いて構造最適化を実行した。
• 電子的および磁気的応答を評価するために、電荷移動、バンド構造、状態密度（DOS）、局所状態密度（LDOS）を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CrO₃のグラフェン上での吸着が、対称性の破れと電荷移動によってバンドギャップを誘起できるか？
• RQ2 CrO₃の吸着サイトおよび分子配向が、グラフェンの電子構造にどのように影響するか？
• RQ3 どのような配置においてCrO₃ドーピングが、グラフェンにスピン分極を引き起こすか？
• RQ4 曲率（例：カーボンナノチューブ）が、カーボン表面におけるCrO₃の結合エネルギーおよび吸着安定性に与える影響はいかほどか？
• RQ5 CrO₃機能化グラフェンが、チューナブルな電子的およびスピントロニクスデバイスのプラットフォームとしてどの程度実現可能か？

主な発見

• CrO₃が最も安定なサイトに吸着すると、グラフェンの鏡像対称性が破れるため、ディラック点に約0.12 eVのバンドギャップが開く。
• スピン分極0.4 μBは、唯一最も安定な吸着配置でのみ観測され、これはCrO₃の酸素原子とグラフェン表面との間の電荷再配分に起因する。
• グラフェンからCrO₃への電子移動により、フェルミ準位が純粋なグラフェンに対して最大0.8 eV低下する。
• 電子構造は、吸着サイトおよび分子配向に極めて敏感であり、ギャップの開口およびスピン分極を誘起するのは特定の配置に限られる。
• CrO₃は、曲がった炭素構造（例：(8,0) SWNT）に対して、平坦なグラフェン（1.01 eV対1.4 eV）と比較して0.4 eVの結合エネルギー増加を示し、より強く結合する。
• 局所状態密度（LDOS）プロットにより、CrO₃の3d状態とグラフェンのπバンドとの間のハイブリダイゼーションが確認され、-1.2 eVおよび-1.8 eVに明確な特徴が観察された。