[論文レビュー] Configurations of structural defects in graphene and their effects on its transport properties

Taras M. Radchenko, V. A. Tatarenko+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2014

Graphene research and applications参考文献 2被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、統計的熱力学的、動力学的、およびKubo–Greenwoodに基づく数値的手法を組み合わせて、グラフェン内の点欠陥および線欠陥の空間的配置が電子輸送に与える影響を調査した。原子的な秩序と相関——特に短距離散乱子および線欠陥——が、ランダムな分布と比較して、電気伝導度を最大で数百倍まで向上させることを示した。これは、intersublattice相互作用によって駆動される強い異方性および非単調な秩序化kineticsを示している。

ABSTRACT

The chapter combines analytical (statistical-thermodynamic and kinetic) with numerical (Kubo-Greenwood-formalism-based) approaches used to ascertain an influence of the configurations of point (impurities, vacancies) and line (grain boundaries, atomic steps) defects on the charge transport in graphene. Possible substitutional and interstitial graphene-based superstructures are predicted and described. The arrangements of dopants over sites or interstices related with interatomic-interaction energies governing the configurations of impurities. Depending on whether the interatomic interactions are short- or long-range, the low-temperature stability diagrams in terms of interaction-energy parameters are obtained. The dominance of intersublattice interactions in competition with intrasublattice ones results in a nonmonotony of ordering-process kinetics. Spatial correlations of impurities do not affect the electronic conductivity of graphene for the most important experimentally-relevant cases of point defects, neutral adatoms and screened charged impurities, while atomic ordering can give rise in the conductivity up to tens times for weak and strong short-range potentials. There is no ordering effect manifestation for long-range potentials. The anisotropy of the conductivity along and across the line defects is revealed and gives rise in the conductivity of graphene with correlated line defects as compared with the case of random ones. Simultaneously correlated (and/or ordered) point and line defects in graphene can give rise in the conductivity up to hundreds times vs. their random distribution. On an example of different B or N doping configurations in graphene, results from the Kubo-Greenwood approach are compared with those obtained from DFT method.

研究の動機と目的

• 点欠陥（不純物、バキュオリ）および線欠陥（結晶粒界、ステップ）の空間的配置がグラフェン内の電子輸送に与える影響を理解すること。
• 特に実験的に関連性のある状況において、欠陥の原子的秩序または相関が電気伝導度を向上させるかどうかを特定すること。
• B/Nドープグラフェンの構造に対して、Kubo–Greenwood形式と密度汎関数理論（DFT）の結果を比較すること。
• 短距離および長距離の原子間相互作用が、欠陥スーパーパターンの安定化および輸送挙動を支配する役割を分析すること。
• CVDおよびエpitaxialグラフェンにおける方向的に相関した線欠陥が引き起こす異方性伝導度を調査すること。

提案手法

• 原子間相互作用エネルギーに基づいて、欠陥配置の安定性図を統計的熱力学的および動力学的モデルを用いて導出。
• 実時間・実空間におけるKubo–Greenwood形式を用いて、大規模なグラフェン系（数百万原子まで）の電子的伝導度を計算。
• 点欠陥には短距離（中性付加原子）および長距離（スクリーニングされた charged 不純物）ポテンシャルをモデル化し、線欠陥にはThomas–Fermiに基づく有効ポテンシャルを用いた。
• ランダム分布と相関／秩序化された分布の両方をシミュレートし、伝導度の差を比較。
• 非単調な秩序化kineticsを分析するため、内部サブラットおよび相互サブラットの相互作用エネルギーを組み込んだ。
• B/Nドープグラフェンに対してDFT計算と照合し、欠陥配置効果の正確さを検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 短距離および長距離散乱ポテンシャルに対して、点欠陥の空間的相関および秩序化がグラフェンの電気伝導度に与える影響は何か？
• RQ2 方向的に相関した線欠陥が、グラフェンにおける伝導度の異方性および大きさに与える影響は何か？
• RQ3 競合する内部サブラットおよび相互サブラット相互作用が、グラフェンにおける欠陥スーパーパターンの秩序化kineticsおよび安定性に与える影響は何か？
• RQ4 点欠陥と線欠陥の両方が存在する場合、孤立した欠陥タイプと比較して、電子・ホール非対称性が伝導度にどの程度変化をもたらすか？
• RQ5 Kubo–Greenwood形式は、特に大規模グラフェン系において、欠陥の秩序化による伝導度向上を正確に予測できるか？

主な発見

• 短距離散乱子（例：中性付加原子）の原子的秩序化は、ランダムな分布と比較して、グラフェンの伝導度を最大で数十倍まで向上させる。
• 欠陥の相関は、弱く非対称（反発的）な短距離ポテンシャルに対してのみ最大30％の伝導度向上をもたらすが、強い短距離または長距離ガウス型ポテンシャルでは効果がない。
• 長距離ガウス型ポテンシャルでは、相関や秩序化の有無にかかわらず伝導度に影響しないことから、散乱メカニズムに根本的な差があることが示唆された。
• 方向的に相関した線欠陥は、相関のないものと比較して伝導度を顕著に向上させ、欠陥密度が高くなるほど増幅される。
• 点欠陥および線欠陥の両方を同時に秩序化することで、ランダムな分布と比較して伝導度が最大で数百倍まで向上する。
• 線欠陥を含むグラフェンの伝導度は、電子密度に対して頑健な非線形依存性を示し、点欠陥の線形トレンドとは異なる。また、スクリーニング長に弱く依存する。