[论文解读] Ab initio Study of Graphene on SiC

Alexander Mattausch, Oleg Pankratov|arXiv (Cornell University)|Apr 2, 2007

Graphene research and applications被引用 9

一句话总结

本基于密度泛函理论的从头算研究揭示，石墨烯第一层与6H-SiC(0001)衬底之间形成共价键，破坏了石墨烯类电子特性。第二层石墨烯表现出狄拉克锥结构及微弱的范德华相互作用，恢复了自由悬浮石墨烯的电子能带结构，其行为取决于终止面：Si面为金属性，C面为半金属性。

ABSTRACT

Employing density-functional calculations we study single and double graphene layers on Si- and C-terminated 1x1-6H-SiC surfaces. We show that, in contrast to earlier assumptions, the first carbon layer is covalently bonded to the substrate, and cannot be responsible for the graphene-type electronic spectrum observed experimentally. The characteristic spectrum of free-standing graphene appears with the second carbon layer, which exhibits a weak van der Waals bonding to the underlying structure. For Si-terminated substrate, the interface is metallic, whereas on C-face it is semiconducting or semimetallic for single or double graphene coverage, respectively.

研究动机与目标

• 解决长期以来关于外延石墨烯在SiC上是否因衬底相互作用而保留自由悬浮石墨烯电子性质的疑问。
• 确定石墨烯与SiC衬底之间的键合性质——共价键还是范德华力。
• 研究Si终止与C终止SiC表面如何影响石墨烯层的电子结构。
• 阐明第一层石墨烯在界面中的作用，特别是其是否对观测到的狄拉克锥谱有贡献。
• 量化石墨烯沉积在不同SiC面时功函数的变化及费米能级钉扎程度。

提出的方法

• 采用局域自旋密度近似（LSDA）和投影缀加平面波（PAW）赝势的密度泛函理论（DFT）方法。
• 使用VASP代码，平面波截断能为400 eV，布里渊区积分采用7×7×1 k点采样。
• 构建了包含6个双层6H-SiC（S3结构）的超胞，外延单层或双层石墨烯，并保持10–15 Å的真空层间距。
• 通过拉伸石墨烯层以补偿晶格失配（8%），在界面处采用√3×√3R30°的元胞模型。
• 计算电荷密度、功函数及电子能带结构，以分析界面态和费米能级对齐。
• 对比Si终止（0001）和C终止（0001̄）6H-SiC表面的结果，评估终止态依赖的电子行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 在SiC上，第一层石墨烯是否与衬底形成共价键？若形成，其电子结构如何受到影响？
• RQ2 在第几层石墨烯中，自由悬浮石墨烯的特征狄拉克锥谱重新出现？
• RQ3 在Si终止SiC上与C终止SiC上，石墨烯的电子结构有何差异？
• RQ4 界面在费米能级钉扎和功函数变化中起什么作用？
• RQ5 衬底在多大程度上影响最上层石墨烯的电子性质？

主要发现

• 在Si终止和C终止的6H-SiC(0001)上，第一层石墨烯均与衬底形成共价键，键长分别为2.0 Å（Si面）和1.87 Å（C面），每单元胞释放能量分别为0.72 eV和0.60 eV。
• 由于强共价键合和界面态的存在，第一层石墨烯在费米能级处无狄拉克锥，不贡献于观测到的石墨烯类能带结构。
• 第二层石墨烯在费米能级附近表现出具有线性色散关系的狄拉克锥，证实了自由悬浮石墨烯电子结构的恢复。
• 在Si终止SiC上，界面为金属性，费米能级位于狄拉克点之上，导致第二层石墨烯n型掺杂。
• 在C终止SiC上，费米能级恰好位于狄拉克点，形成与自由悬浮石墨烯相似的半金属态。
• 功函数由清洁Si面的4.75 eV降至第一层石墨烯覆盖后的3.75 eV，表明存在强烈的电荷转移和偶极层形成；而第二层石墨烯使功函数恢复至接近自由悬浮石墨烯的5.11 eV。