[논문 리뷰] Graphene/g-C2N bilayer:gap opening, enhanced visible light response and electrical field tuning band structure

Zhaoyong Guan, Jia Li외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 10. 30.

Graphene research and applications참고 문헌 44인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 기판 유도 전기적 위치 에너지에 의해 그래핀에서 최대 0.239 eV의 조절 가능한 밴드 갭을 여는 그래핀/g-C2N 이중층 헤테로구조를 제안한다. 이는 실온에서의 반도체 행동을 가능하게 하며, 가시광선 흡수 능력이 향상되고 외부 전기장에 의해 전자 구조가 금속에서 반도체로 동적으로 조절 가능하다. 이는 옵티오일렉트로닉스 및 나노전자 장치에 유망한 플랫폼을 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 실용적인 나노전자 응용을 위한 순수 그래핀의 영 밴드 갭 문제를 해결하기 위해.
• 그래핀에 밴드 갭을 여는 데 적합한 2차원 기판으로 g-C2N을 탐색하기 위해.
• 외부 전기장에 의한 그래핀/g-C2N 헤테로구조의 밴드 구조 조절 가능성 탐구하기 위해.
• 고립된 g-C2N에 비해 헤테로구조의 광학적 반응성 향상 평가하기 위해.
• 전자적 및 옵티오일렉트로닉스적 성질을 조절할 수 있는 2차원 반데르발스 헤테로구조 설계 전략 제공하기 위해.

제안 방법

• 그래핀/g-C2N 이중층의 전자적 및 광학적 성질을 모델링하기 위해 최초 원리 밀도함수이론(DFT) 계산을 사용하였다.
• 그래핀의 밴드 갭 형성 기원을 설명하기 위해 비균일 전기적 위치 에너지 모델을 사용하였다.
• 외부 수직 전기장을 적용하여 헤테로구조의 밴드 정렬 및 밴드 갭 크기를 조절하였다.
• 이중층과 고립된 g-C2N의 가시광선 반응을 비교하기 위해 광학적 흡수 스펙트럼을 계산하였다.
• 밴드 갭 형성 메커니즘을 이해하기 위해 전하 밀도 재분포 및 계면 결합을 분석하였다.
• 외부 전기장 하에서 금속에서 반도체로의 전자 전이 특성을 규명하기 위해 밴드 구조 및 밀도 상태(DOS) 분석을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 g-C2N 기판이 그래핀에 충분히 큰 밴드 갭을 유도할 수 있는가? 이는 실온에서의 전자 응용에 적합한가?
• RQ2 그래핀/g-C2N 헤테로구조에서 밴드 갭 형성의 물리적 기원은 무엇인가?
• RQ3 외부 전기장에 의해 밴드 갭은 어느 정도까지 조절될 수 있는가?
• RQ4 이중층의 광학적 흡수 특성은 고립된 g-C2N의 가시광선 영역에서 어떻게 비교되는가?
• RQ5 외부 게이팅 조건 하에서 그래핀/g-C2N 헤테로구조는 스위치 가능한 반도체-금속 시스템으로 기능할 수 있는가?

주요 결과

• g-C2N 기판에 의해 지지될 때 그래핀에서 0.239 eV의 밴드 갭이 열리며, 이는 실온에서의 반도체 작동에 충분한 크기이다.
• 밴드 갭은 g-C2N 기판에 의해 유도된 비균일 전기적 위치 에너지로 인해 발생하며, 그래핀의 아랫면 대칭성이 깨진다.
• 외부 전기장에 의해 밴드 갭이 금속적 행동에서 반도체적 행동으로 연속적으로 조절 가능하여 동적 전자 제어가 가능하다.
• 그래핀/g-C2N 헤테로구조는 고립된 g-C2N 단일층에 비해 가시광선 영역에서 훨씬 향상된 광학적 흡수를 나타낸다.
• 최적의 전기장 조건에서 시스템은 직접 밴드 갭을 유지하여 효율적인 빛-물질 상호작용을 유리하게 한다.
• 계산된 광학 활성도는 이 헤테로구조가 가시광선 구동 옵티오일렉트로닉스 장치 잠재력을 지닌다는 것을 확인한다.