[논문 리뷰] Adsorption of titanium and titanium dioxide on graphene: n and p-type doping

Jozef Sivek, O. Leenaerts외 2명|arXiv (Cornell University)|2013. 01. 16.

Graphene research and applications인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 밀도함수이론(DFT)을 사용하여 그래핀 상의 티타늄(Ti) 및 다이티타늄디옥사이드(TiO₂) 계면에서의 전자적 및 구조적 특성을 연구하였으며, Ti 흡착은 강한 n형 도핑(최대 0.452 e⁻ 이동)을 유도하는 것으로 밝혀졌고, TiO₂는 산소 또는 티타늄 원자가 그래핀을 향하는지에 따라 p형 또는 n형 도핑을 유도한다. 주요 발견은 비정상적인 TiO₂ 구조가 자가보정을 가능하게 하여, Ti 산화 후에도 실험적으로 그래핀의 본질적 전도도가 복구되는 것을 설명한다.

ABSTRACT

Ab initio calculations within the density-functional theory formalism are performed to investigate the ground state, electric charge doping, and electronic properties of titanium and titanium dioxide monolayers adsorbed on a graphene surface. A new ground state structrure of Ti monolayer adsorbed on graphene is reported which is shown to be stable up to T = 500 K. Effects due to lower and higher Ti adatoms coverage are studied. We find that the adsorbed Ti provides a strong n-type doping which supports recent experimental observations. On the other hand, TiO_2 can induce both p- and n-type doping in the carbon monolayer depending on whether oxygen or titanium atoms are closest to the substrate. We identify the structures which are responsible for the experimentally observed autocompensation mechanism that leads to the reversion of adsorbate effects after oxidation of the adsorbed Ti.

연구 동기 및 목표

• ab initio 방법을 사용하여 그래핀 상의 Ti 및 TiO₂ 단층의 전자적 및 구조적 영향을 이해하기 위해.
• Ti 산화 후 그래핀의 게이트 의존 전도도 복구 메커니즘을 규명하기 위해.
• 다양한 TiO₂ 표면 종단에 의해 유도되는 도핑 유형(n-형 또는 p-형)을 확인하기 위해.
• 고밀도 상태에서 Ti 및 TiO₂의 안정한 기저 상태 구조를 규명하기 위해.
• 전하 이동 및 일함수 변화를 정량화하여 도핑 효과를 특성화하기 위해.

제안 방법

• 국부 스핀 밀도 근사(LSDA)와 프rojector augmented wave(PAW) 방법을 사용한 DFT 기반 ab initio 계산.
• 브릴루앙 영역 샘플링을 위해 500 eV 평면파 커팅 및 28×28×1 Monkhorst-Pack k-점 메esh 사용.
• 기저 상태 기하구조를 확보하기 위해 힘 기준 0.01 eV/Å 이하로 완전한 구조 최적화 수행.
• 상호작용을 최소화하기 위해 디폴드 보정 및 20 Å의 진공 간격 적용.
• 흡착체와 그래핀 간 전하 이동을 정량화하기 위해 반복적인 Hirshfeld 전하 분포 분석 수행.
• 도핑 특성을 결정하기 위해 전자 밴드 구조 및 일함수 차이(ΦM − ΦG) 분석 수행.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Ti 단층이 그래핀 상에 존재할 때의 기저 상태 구조는 무엇이며, 고온에서의 안정성은 어떠한가?
• RQ2 Ti 흡착은 그래핀의 도핑 유형과 강도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 TiO₂ 단층은 그래핀에 p형 및 n형 도핑을 모두 유도할 수 있으며, 도핑 유형은 무엇에 의해 결정되는가?
• RQ4 Ti 산화 후 그래핀의 본질적 전도도가 복구되는 구조적 및 전자적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ5 TiO₂ 표면 종단(O- 또는 Ti-종단)의 차이가 그래핀 내 전하 이동 및 도핑에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• Ti₃C₈ 화학 스토이히오메트리의 새로운 기저 상태 구조가 그래핀 상에서 규명되었으며, 500 K까지 안정하며 강한 n형 도핑을 보이며, TiO₂ 단위당 최대 0.452 e⁻의 전하 이동을 나타낸다.
• Ti 흡착은 최대 0.452 e⁻의 전하 이동을 동반하는 n형 도핑을 유도하며, 이는 이동도 감소 및 n형 거동 관측 결과와 일치한다.
• 산소 원자가 그래핀을 향하는 경우 TiO₂ 단층은 p형 도핑을 유도하며 전하 이동 0.126 e⁻를 보이고, 티타늄 원자가 노출된 경우 n형 도핑이 발생하여 전하 이동 0.026 e⁻를 나타낸다.
• p형 g2x2-hex-TiO₂ 구조에서 디랙 콘의 에너지가 패리미 에너지 수준보다 0.5 eV 높아져 정공 도핑을 확인한다.
• 동일한 표면에 p형 및 n형 도핑을 유도하는 비정상적인 TiO₂ 구조는 자가보정을 가능하게 하여, 산화 후 그래핀의 본질적 전도도 복구를 설명한다.
• 전하 분포 분석이 디랙 포인트 이동에 대해 신뢰할 수 없을 경우에도 일함수 차이(ΦM − ΦG)는 도핑 특성에 대해 일관된 그림을 제공한다.