[論文レビュー] Graphene on metal surface: gap opening and n-doping

Yunhua Lu, Pimo He+1 more|ArXiv.org|Dec 25, 2007

Graphene research and applications被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、Cu(111)上に六方晶窒化硼素（h-BN）バッファ層を有するグラフェンが、Cu基板を介した電荷移動により内在的n型ドーピングと0.2 eVのバンドギャップを示すことを示した。バンドギャップはフェルミ準位からわずか0.5 eV下に開くため、外部ゲートを用いずにフェルミ準位をギャップ内に容易にチューニングでき、グラフェンベースの電子素子にとって不可欠な半導体的挙動を実現する。

ABSTRACT

Graphene grown on metal surface, Cu(111), with a boron nitride(BN) buffer layer is studied for the first time. Our first-principles calculations reveal that charge is transferred from the copper substrate to graphene through the BN buffer layer which results in a n-doped graphene in the absence of a gate voltage. More importantly, a gap of 0.2 eV which is comparable to that of a typical narrow gap semicondutor opens just 0.5 eV below the Fermi-level at the Dirac point. The Fermi-level can be easily shifted inside this gap to make graphene a semiconductor which is crucial for graphene-based electronic devices. A graphene based p-n junction can be realized with graphene eptaxially grown on metal surface.

研究の動機と目的

• Cu(111)基板上に六方晶窒化硼素（h-BN）バッファ層を有するグラフェンの電子的性質を調査すること。
• このヘテロ構造におけるバンドギャップの形成原因を理解すること。
• 外部ドーピングを用いずにゲートチューナブルな半導体をグラフェンから作成可能かどうかを検討すること。
• この系が実用的なグラフェンベースの電子素子に与える可能性を評価すること。

提案手法

• プロジェクト化波関数（PAW）擬ポテンシャルを用いたVASPコードを用いた第一原理密度汎関数理論（DFT）計算。
• 交換相関関数に局所密度近似（LDA）を用い、ブリユアンゾーン統合に36×36×1のkポイントサンプリングを実施。
• 5層Cu(111)基板を用いた構造的緩和計算。下部2層を固定し、その上にh-BNとグラフェンを吸着。
• 電子構造計算には10層Cu基板モデルを用い、中央の2層を緩和。
• ブリユアンゾーンのK点におけるk分解密度状態（DOS）解析により、デル・コーンの挙動とギャップ形成を調査。
• 構造的要因が電子的性質に与える影響を評価するため、2つの原子配置（A1およびA2）を比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Cu(111)基板上にh-BNバッファ層を有するグラフェンにおけるバンドギャップの起源は何か？
• RQ2 Cu基板からの電荷移動がグラフェンの電子構造にどのように影響を与えるか？
• RQ3 ゲート電圧を印加せずにフェルミ準位をバンドギャップ内にチューニング可能か？
• RQ4 グラフェンのAおよびBサブラティス間の対称性の破れがギャップ形成に与える影響は何か？
• RQ5 このヘテロ構造におけるバンドギャップの大きさとチューナビリティはどの程度か？

主な発見

• 0.2 eVのバンドギャップがデル・ポイントに開き、フェルミ準位からわずか0.5 eV下に位置し、グラフェンが狭いギャップ半導体として振る舞える。
• Cu(111)基板からh-BNバッファ層を介してグラフェンへ電荷移動が生じ、外部ゲート電圧を一切適用しない状態で内在的n型ドーピングが発生する。
• バンドギャップはグラフェンのAおよびBサブラティス間の対称性の破れに起因し、デル・ポイントにおける価電子帯および伝導帯状態の再ハイブリダイゼーションを引き起こす。
• K点における密度状態の解析により、価電子帯のデル・コーンに電子が占有されていることが確認され、高いキャリア移動度を示すn型ドーピング挙動が裏付けられる。
• 基板由来のドーピングによりフェルミ準位がギャップの上に位置しているため、分子吸着やゲート電圧を用いた容易なギャップ内へのフェルミ準位チューニングが可能である。
• 電子受容性分子を局所的に修飾することでp-nジャンクションの形成が可能となり、スケーラブルなデバイス統合が実現可能である。