[論文レビュー] Geometric and electronic properties of graphene-related systems: Chemical bondings

Ngoc Thanh Thuy Tran, Shih-Yang Lin+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 6, 2017

Fullerene Chemistry and Applications被引用数 4

ひとこと要約

第一原理研究により、層数、積層順序、応力、リッピング、および不単体ドーピングがグラフェン関連系の幾何学的および電子的性質にどのように調整されるかを体系的に調査した。その結果、H、F、O、ハロゲン、アルカリ金属、Al不単体からの多軌道化学結合が、調整可能なエネルギー間隙、ディラック・コーンの再構築、および磁性または金属的性質の顕在を誘発することが明らかになった。これにより、エレクトロニクスおよびエネルギー応用のための機能的2次元ナノ材料の設計が可能になる。

ABSTRACT

This work presents a systematic review of the feature-rich essential properties in graphene-related systems using the first-principles method. The geometric and electronic properties are greatly diversified by the number of layers, the stacking configurations, the sliding-created configuration transformation, the rippled structures, and the distinct adatom adsorptions. The top-site adsorptions can induce the significantly buckled structures, especially for hydrogen and fluorine adatoms. The electronic structures consist of the carbon-, adatom- and (carbon, adatom)-dominated energy bands. There exist the linear, parabolic, partially flat, sombrero-shaped and oscillatory band, accompanied with various kinds of critical points. The semi-metallic or semiconducting behaviors of graphene systems are dramatically changed by the multi- or single-orbital chemical bondings between carbons and adatoms. Graphene oxides and hydrogenated graphenes possess the tunable energy gaps. Fluorinated graphenes might be semiconductors or hole-doped metals, while other halogenated systems belong to the latter. Alkali- and Al-doped graphenes exhibit the high-density free electrons in the preserved Dirac cones. The ferromagnetic spin configuration is revealed in hydrogenated and halogenated graphenes under certain distributions. Specifically, Bi nano-structures are formed by the interactions between monolayer graphene and buffer layer. Structure and adatom-enriched essential properties are compared with the measured results, and potential applications are also discussed.

研究の動機と目的

• 多様な構造的および化学的構成におけるグラフェン関連系の幾何学的および電子的性質を体系的にマップすること。
• Cと不単体（例：H、F、O、ハロゲン、アルカリ金属、Al）の間の多軌道化学結合が、電子バンド構造およびエネルギー間隙に与える影響を理解すること。
• 積層順序（ABA、ABC、AAA）、リッピング、スライド構成などの構造的特徴と、半金属性、半導体ギャップ、金属的状態を含む顕在する電子的挙動との相関を特定すること。
• 水素化およびハロゲン化グラフェンにおけるスピン極性配置を探索し、強磁性を示す条件を同定すること。
• 理論的予測を実験的測定（例：ARPES、STM、STS）と照合し、ドーピングされたグラフェンが機能的ナノデバイスに与える可能性を評価すること。

提案手法

• 純粋、ドーピング、機能化されたグラフェン系をモデル化するため、第一原理密度汎関数理論（DFT）計算を用いる。
• 軌道混合（sp²、sp³、p-dなど）とその電子バンド分散および状態密度（DOS）への影響を分析する。
• 積層構成（ABA、ABC、AAA、AAB）とその層間結合およびエネルギー帯トポロジーへの影響を調査する。
• 不単体吸着のトップ、ブリッジ、ハロー部位をシミュレートし、構造的バッキングおよび電荷再分配を評価する。
• タイトバインディングモデルおよびバンド構造解析を用いて、線形、放物線的、平坦、サボレータ型、および振動的バンドを解釈する。
• 理論的結果をARPES、STM、STS、および光学的／電気的測定からの実験データと比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 積層構成（例：ABA、ABC、AAA）は、少数層グラフェンにおける電子バンド構造およびディラック・コーンの完全性にどのように影響するか？
• RQ2 多軌道化学結合（例：C–H、C–F、C–O、C–Al）は、エネルギー間隙の誘発および半金属的挙動の変更にどのような役割を果たすか？
• RQ3 水素化およびハロゲン化グラフェンは、どのような条件下で強磁性スピン配置を示すか？
• RQ4 リッピングおよび応力は、グラフェンの局所的電子構造および電荷密度分布にどのように影響するか？
• RQ5 アルカリ金属およびAlドーピングは、ディラック・コーンの特徴を保持したまま、自由電子密度をどの程度向上できるか？

主な発見

• HおよびFのトップサイト吸着は、強いp–p混合により顕著な構造的バッキングを引き起こし、平面的幾何学が変化する。
• フルオリネートドグラフェンは、フッ素被覆率および配置に応じて、半導体的またはホールドーピング金属的挙動を示す。
• 水素化およびハロゲン化グラフェンは、特定の不単体分布下で強磁性スピン配置を示す可能性があり、スピン極性STSによって裏付けられている。
• アルカリ金属およびAlドーピングされたグラフェンは、高い自由電子密度を維持したままディラック・コーンを保持しており、高移動度エレクトロニクス素子への応用可能性を示唆している。
• グラフェン酸化物は、酸素官能基のパターンに応じて、絶縁体的から半金属的まで調整可能なエネルギー間隙を示す。
• 二元素ドーピング系はバッファ層と相互作用してナノ構造を形成し、特徴的な低エネルギーDOS特徴を示し、スピントロニクス応用の可能性を秘めている。