[논문 리뷰] Band Gap Opening and Optical Absorption Enhancement in Graphene using ZnO Nanoclusters

M. M. Monshi, Sadegh Mehdi Aghaei외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 06. 19.

Graphene research and applications참고 문헌 23인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 최초 원리 밀도함수이론을 사용하여 그래핀/ZnO 나노클러스터 이종구조체를 조사하며, Zn12O12 클러스터가 그래핀에서 14.5 meV의 밴드 갭을 유도하고 가시광선에서 적외선 스펙트럼에 걸쳐 광학적 흡수를 1.67배 향상시킴을 입증한다. 비선형 I-V 특성은 약간 존재하나, 광검출기 및 에너지 수확 장치에 강력한 잠재력을 지닌다.

ABSTRACT

Electronic, optical and transport properties of the graphene/ZnO heterostructure have been explored using first-principles density functional theory. The results show that Zn12O12 can open a band gap of 14.5 meV in graphene, increase its optical absorption by 1.67 times covering the visible spectrum which extends to the infra-red (IR) range, and exhibits a slight non-linear I-V characteristic depending on the applied bias. These findings envisage that a graphene/Zn12O12 heterostructure can be appropriate for energy harvesting, photodetection, and photochemical devices.

연구 동기 및 목표

• 그래핀이 ZnO 나노클러스터와 인터페이스를 형성할 때의 전자적 및 광학적 성질을 탐구하기 위해.
• 원래 무밴드 갭을 가진 순수 그래핀에 ZnO 나노클러스터가 밴드 갭을 유도할 수 있는지 확인하기 위해.
• 가시광선 및 적외선 파장에서 그래핀/ZnO 이종구조체의 광학적 흡수 향상 정도를 평가하기 위해.
• 특히 비선형 I-V 반응을 분석하기 위해 외부 전압을 가했을 때 전기적 운반 특성을 분석하기 위해.
• 이 구조체가 광전자 및 에너지 변환 응용 분야에 실현 가능할지 평가하기 위해.

제안 방법

• 그래핀/ZnO 이종구조체의 전자 구조를 모델링하기 위해 최초 원리 밀도함수이론(DFT)을 사용하였다.
• 단일층 그래핀 시트와의 상호작용을 시뮬레이션하기 위해 Zn12O12 나노클러스터를 사용하였다.
• 밴드 갭 형성 분석을 위해 밴드 구조 및 상태 밀도를 계산하였다.
• 가시광선 및 적외선 영역에서의 흡수 스펙트럼을 결정하기 위해 광학 반응 계산을 수행하였다.
• 다양한 전압을 가했을 때의 전류-전압(I-V) 특성을 시뮬레이션하여 비선형 운반 특성의 특성을 평가하였다.
• 표준 교환-상관 기능 및 슬립 기하학에서의 주기적 경계 조건을 사용하여 결과를 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ZnO 나노클러스터가 표면 상호작용을 통해 그래핀에서 밴드 갭을 유도할 수 있는가?
• RQ2 ZnO 나노클러스터는 가시광선 및 적외선 스펙트럼에서 그래핀의 광학적 흡수를 어느 정도 향상시키는가?
• RQ3 외부 전압을 가했을 때 그래핀-Zn12O12 이종구조체의 전기적 운반 특성은 어떤 성질을 가지는가?
• RQ4 Zn12O12 클러스터와 결합함에 따라 그래핀의 전자 구조는 어떻게 변화하는가?
• RQ5 이 이종구조체는 실용적인 광전자 및 에너지 수확 응용 분야에 어떤 잠재력을 지니는가?

주요 결과

• Zn12O12 나노클러스터는 그래핀에서 14.5 meV의 밴드 갭을 유도하여 반도체적 행동을 가능하게 한다.
• 이종구조체에서 광학적 흡수는 순수 그래핀보다 1.67배 향상되었으며, 이는 가시광선 및 적외선 스펙트럼 범위를 포함한다.
• 향상된 광학적 흡수 특성은 적외선 영역까지 연장되어 광대역 광검출에의 유용성을 시사한다.
• 외부 전압을 가했을 때 시스템은 약간의 비선형 I-V 특성을 나타내어 조절 가능한 전자적 반응을 나타낸다.
• 밴드 갭 형성의 원인은 그래핀-ZnO 인터페이스에서의 대칭성 파괴와 강한 오비탈 혼성화에 기인한다.
• 결과는 그래핀/Zn12O12 이종구조체가 광검출기, 태양전지 및 광화학 장치에 응용 가능한 실현 가능성을 뒷받침한다.