[論文レビュー] Highly Fluorinated Graphene

Chad E. Junkermeier, Ştefan C. Bǎdescu+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2013

Graphene research and applications参考文献 56被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、密度汎関数理論を用いて、フッ素被覆率や原子配列（モチーフ）を変化させたフルオリネーテドグラフェンを体系的に調査し、フッ素化が広範な電子的・機械的・磁気的性質を誘発することを明らかにした。主な発見として、金属的から半導体的へと調整可能なバンドギャップ、複数のモチーフで安定した室温でのスピン分極、および磁気モーメントがフッ素の配列とサブラティス不均衡に強く依存することを確認した。

ABSTRACT

We give the results of density functional calculations for graphene with a widely varying fluorine adsorptions. We give a systematic analysis of the adsorption energies, lattice constants, bulk modulus, bandgap openings, and magnetic properties. We find that a number of different adsorption geometries and a range of physical properties can occur for each adsorbate coverage. The systems are found to range from metallic to semiconducting with widely vary band gaps, and a number of interesting magnetic phases are found. We expect that many of these structures may occur in real materials systems. Further that a listing of the properties found here may help in determining what fluorinated graphenes are produced experimentally.

研究の動機と目的

• 広範なフッ素化学 stoichiometry および原子配列の範囲で、フルオリネーテドグラフェンの構造的・電子的・弾性的・磁気的性質を体系的に調査すること。
• 異なるフッ素吸着パターン（モチーフ）が、バンドギャップ、格子定数、体積モodulus、磁気モーメントといった重要な材料特性にどのように影響を与えるかを特定すること。
• 特に室温においても安定した磁気状態（特に強磁性および反強磁性）が出現する条件を同定すること。
• ナノエレクトロニクスおよびスピントロニクス応用を想定した、望ましい電子的および磁気的特性を示す有望なフルオリネーテドグラフェン構造を実験的設計に導くこと。

提案手法

• Quantum Espressoパッケージ内のPWscfコードを用いて、ab initio平面波擬ポテンシャルDFT計算を実施した。
• 交換相関効果にはPBE関数を適用し、30 Ryの波関数カットオフを用いたVanderbiltの超ソフト擬ポテンシャルを用いた。
• ブリュアンゾーン統合には8×8のMonkhorst-Pack kポイントサンプリングを採用し、SCF収束を高速化するために2次波関数補間を用いた。
• 2×2グラフェン単位格子に基づくスーパーセルを構築し、表1に示すように、F原子を特定の配置（モチーフ）でC原子の上部または下部に初期配置した。
• エネルギー-体積フィッティングを用いて、Birch-Murnaghan状態方程式を用いて格子定数を計算した。
• スピン制限およびスピン分極計算（強磁性および反強磁性初期配置）を実施し、全エネルギー比較に基づいて基底状態を選定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なるフッ素吸着モチーフは、さまざまな化学 stoichiometry におけるフルオリネーテドグラフェンの電子的バンド構造およびバンドギャップにどのように影響を与えるか？
• RQ2 フルオリネーテドグラフェンにおける磁気モーメントおよびスピン分極は、フッ素被覆率およびサブラティス不均衡にどのように依存するか？
• RQ3 どのフルオリネーテドグラフェン構造が、分極エネルギーによって示されるように室温で安定したスピン分極を示すか？
• RQ4 フッ素被覆率およびモチーフに応じて、体積モodulus や格子定数といった機械的性質はどのように変化するか？
• RQ5 特定のフッ素配列は、低フッ素被覆率でも非ゼロのネット磁気モーメントを誘発することができ、その大きさと安定性は何かによって決定されるか？

主な発見

• フルオリネーテドグラフェン系は、化学 stoichiometry およびモチーフに応じて、金属的から半導体的へと至る広範なバンドギャップを示し、その値はほぼゼロから3 eVを超える範囲にわたる。
• C4F3化学 stoichiometry において、5つの異なるモチーフが同定され、すべてのモチーフで近似的に2 μBのネットスピンモーメントを示し、分極エネルギーがすべて0.05 eV以上であった。これは室温での熱的安定性を示唆している。
• ネット磁気モーメントは、フッ素の配列に極めて敏感である。例えば、項目17（F原子が一方の面にのみ配置）では大きなネットモーメント（約2 μB）を示すが、項目20（両方の面にF原子が配置）では同一化学 stoichiometry にもかかわらずほぼゼロのネットモーメントを示す。
• 完全にフルオリネーテッドグラフェン（C4F4）を除き、すべての化学 stoichiometry に対して少なくとも1つのモチーフで非ゼロの固有スピンモーメントが観測された。これは、半ヒドロゲン化のみが磁性を誘発するという考えを覆すものである。
• 多くの系で0.03 eVを超える分極エネルギーが観測され、室温で安定したスピン分極状態が実現可能である可能性を示唆している。
• 強磁性スピン配列が最も一般的な磁気的配置であった。高いスピン分極を示す系（例：項目17）では、バンド構造がpドーピング半導体に類似していた。