[論文レビュー] Graphene/g-C2N bilayer:gap opening, enhanced visible light response and electrical field tuning band structure

Zhaoyong Guan, Jia Li+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 30, 2015

Graphene research and applications参考文献 44被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、基板に起因する電界による静電的ポテンシャルによって、グラフェンに最大0.239 eVのチューナブルなバンドギャップを誘発するグラフェン/g-C2N二層ヘテロ構造を提案する。これにより、室温での半導体的挙動が可能となる。この系は可視光吸収が向上しており、外部電界を用いて金属から半導体へのバンド構造を動的に制御可能であり、光エレクトロニクスおよびナノエレクトロニクス素子の有望なプラットフォームを提供する。

ABSTRACT

Opening up a band gap of the graphene and finding a suitable substrate are two challenges for constituting the nano-electronic equipment. A new two-dimensional layered crystal g-C2N (Nat. Commun. 2015, 6, 1--7) with novel electronic and optical properties can be effectively synthesized via a wet-chemical reaction. And g-C2N can be used as a suitable substrate to open the band gap of graphene as much as 0.239 eV, which is large enough for the band gap opening at room temperature. The physics behind the band gap opening is that g-C2N substrate can produce the inhomogeneous electrostatic potential over the graphene layer. The imposition of external electrical field can tune the band gap of the hybrid of graphene/g-C2N effectively from the semiconductors to the metal. The hybrid graphene/g-C2N displays an enhanced optical activity compared with the pure g-C2N monolayer.

研究の動機と目的

• 純粋なグラフェンに起因するゼロバンドギャップの問題を、実用的なナノエレクトロニクス用途において解決すること。
• g-C2Nをグラフェンにバンドギャップを誘起する適切な二次元基板として検討すること。
• 外部電界を用いたグラフェン/g-C2Nヘテロ構造におけるバンド構造のチューナビリティを調査すること。
• 孤立したg-C2Nと比較して、ヘテロ構造の光学的応答の強化を評価すること。
• 電子的および光エレクトロニクス的性質を調整可能な二次元ファンデルワールスヘテロ構造の設計戦略を提示すること。

提案手法

• グラフェン/g-C2N二層の電子的および光学的性質をモデル化するために、第一原理的密度汎関数理論（DFT）計算を用いた。
• g-C2N基板との相互作用に起因するグラフェンにおけるバンドギャップ形成の起源を説明するため、非一様な静電的ポテンシャルモデルを用いた。
• ヘテロ構造内のバンド配置およびバンドギャップのサイズを調整するために、外部の垂直電界を適用した。
• 二層構造と純粋なg-C2Nの可視光応答を比較するために、光学吸収スペクトルを計算した。
• バンドギャップ形成のメカニズムを理解するために、電荷密度再配分および界面結合を分析した。
• 外部電界下での金属から半導体への電子遷移を特徴付けるために、バンド構造および状態密度（DOS）解析を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 g-C2N基板は、室温での電子的応用に十分な大きさのバンドギャップをグラフェンに誘起できるか？
• RQ2 グラフェン/g-C2Nヘテロ構造におけるバンドギャップ形成の物理的起源は何か？
• RQ3 外部電界によってバンドギャップはどの程度チューニング可能か？
• RQ4 可視光スペクトル範囲において、二層構造の光学吸収は孤立したg-C2Nと比べてどの程度向上しているか？
• RQ5 外部ゲートを施した条件下で、グラフェン/g-C2Nヘテロ構造はスイッチング可能な半導体的・金属的系として機能できるか？

主な発見

• g-C2N上に支持されたグラフェンには、0.239 eVのバンドギャップが開き、これは室温での半導体動作を可能にするのに十分な大きさである。
• バンドギャップは、g-C2N基板に起因する不均一な静電的ポテンシャルによって生じ、グラフェンのサブラティススの対称性が破壊されることに起因する。
• 外部電界を用いることで、バンドギャップを金属的から半導体的挙動へ連続的にチューニング可能であり、動的な電子的制御が可能となる。
• グラフェン/g-C2Nヘテロ構造は、孤立したg-C2N単層と比較して、可視光領域における光学吸収が顕著に向上している。
• 最適な電界条件下では、この系は直接バンドギャップを維持しており、効率的な光・物質相互作用に有利である。
• 計算された光学活性は、このヘテロ構造が可視光駆動型光エレクトロニクス素子に適している可能性を裏付けている。