[論文レビュー] Tuning gap in bilayer graphene

Danil W. Boukhvalov, M. I. Katsnelson|arXiv (Cornell University)|Feb 28, 2008

Graphene research and applications被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、二層グラフェンの化学的官能基化が、0.64〜3 eVの範囲で制御可能なエネルギー準位ギャップの可変的開口を可能にすることを示している。H、F、Cl、Br、OH、CN、CCH、NH2、COOH、CH3といったドーパントを用いることで、安定で低エネルギーの構造が得られ、ギャップは正確に調整可能であり、ゼロギャップのディラックフェルミオンがグラフェンに与える制限を克服するための実用的ルートを提供する。

ABSTRACT

Opening, in a controllable way, energy gap in graphene electron spectrum is necessary for many potential applications, including an efficient carbon-based transistor. We have shown that this can be reached by a chemical functionalization of bilayer graphene. Using various dopants, such as H, F, Cl, Br, OH, CN, CCH, NH2, COOH, and CH3 one can vary the gap value smoothly between 0.64 and 3 eV and the state with the energy gap is stable corresponding to the lowest-energy configurations. Graphene, a recently discovered two-dimensional allotrope of carbon (for review, see Refs.[1, 2, 3]) is a very promising material for future development of electronics, due to its planar geometry and a very high electron mobility [1]. Charge carriers in graphene mimic ultrarelativistic Dirac fermions which creates a new, unexpected bridge between condensed matter physics and quantum electrodynamics (for review, see Ref.[4]). At the same time, some of quantum ultrarelativistic phenomena which make graphene so attractive scientifically can be considered as obstacles for applications. In particular, the chiral “Klein ” tunneling [5] makes p−n−p (or n−p−n) junctions unusually transparent. This does not allow to lock the junction making its use as a transistor problematic. The bilayer graphene [6] is more preferable in this sense since the angular range of anomalous transparency is narrower there [5] but only opening a real gap in electron spectrum would be a radical solution

研究の動機と目的

• グラフェンに可変的エネルギー準位ギャップが欠如していることによる問題に対処し、これがフィールド効果トランジスタへの応用を妨げていること。
• 二層グラフェンジャンクションにおけるクライントンネルリングおよび異常な透過性の制限を克服すること。
• 化学的官能基化を用いて、二層グラフェンに安定したエネルギー準位ギャップを誘導および制御する方法を検討すること。
• 広範で制御可能なエネルギー準位ギャップを生じさせつつ構造的安定性を維持するドーパントを同定すること。

提案手法

• 第一原理計算を用いて、H、F、Cl、Br、OH、CN、CCH、NH2、COOH、CH3といったさまざまなドーパントが二層グラフェンに与える影響を体系的に入念に調査すること。
• 密度汎関数理論（DFT）シミュレーションを用いて、電子構造およびエネルギー準位ギャップ形成の評価を行うこと。
• 関数化構造の全エネルギーを比較することで、基底状態の安定性を評価すること。
• バンド構造の分析により、エネルギー準位ギャップの大きさとその可変性を特定すること。
• 熱力学的安定性を保証するため、各ドーパントの最低エネルギー構造を同定すること。
• ドーパントの種類と得られるエネルギー準位ギャップとの関係をマッピングし、連続的な調整を可能にすること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 化学的官能基化は、二層グラフェンに制御可能なエネルギー準位ギャップを誘導できるか？
• RQ2 異なるドーパントによって達成可能なエネルギー準位ギャップの範囲は何か？
• RQ3 エネルギー的に安定で、実用的応用に適した官能基化構造は何か？
• RQ4 二層グラフェンに付加された異なる化学種によってエネルギー準位ギャップはどのように変化するか？
• RQ5 構造的安定性を維持したまま、広範囲にわたってギャップを滑らかに調整できるか？

主な発見

• 二層グラフェンの化学的官能基化により、0.64 eV から 3 eV の範囲で可変的エネルギー準位ギャップが実現可能である。
• すべての検討されたドーパントの最低エネルギー構造は安定しており、熱力学的実現可能性が示されている。
• 異なるドーパントを選択することでエネルギー準位ギャップを滑らかに変化させることができ、電子的性質の正確な工学的制御が可能である。
• CN、COOH、CCHなどの官能基化により最大3 eVのギャップが得られ、最大値に近い。
• 関数化構造の安定性は、実際のエレクトロニクスデバイスへの応用可能性を支持する。
• 結果として、制御可能なギャップを持つ二層グラフェンは、単層グラフェンにおけるゼロギャップのディラックフェルミオンの制限を克服できることを示している。