[论文解读] Chemical doping-induced gap opening and spin polarization in graphene

I. Zanella S. Guerini, Solange Binotto Fagan+2 more|ArXiv.org|Nov 7, 2007

Graphene research and applicationsMaterials Science被引用 16

一句话总结

本研究采用从头算密度泛函理论，证明CrO₃分子掺杂石墨烯可诱导可调的电子带隙（最高达0.12 eV）和0.4 μB的自旋极化，具体取决于吸附位点和分子取向。该效应源于电荷转移与对称性破缺，使石墨烯能够克服其固有的零带隙半金属特性，适用于自旋电子学和碳基电子学应用。

ABSTRACT

By using first principles calculations we report a chemical doping induced gap in graphene. The structural and electronic properties of CrO$_3$ interacting with graphene layer are calculated using ab initio methods based on the density functional theory. The CrO$_3$ acts as an electron acceptor modifying the original electronic and magnetic properties of the graphene surface through a chemical adsorption. The changes induced in the electronic properties are strongly dependent of the CrO$_3$ adsorption site and for some sites it is possible to open a gap in the electronic band structure. Spin polarization effects are also predicted for some adsorption configurations.

研究动机与目标

• 研究CrO₃分子化学掺杂对石墨烯电子和结构特性的影响。
• 确定CrO₃吸附是否能打开石墨烯的带隙，以解决零带隙石墨烯的最小电导率问题。
• 探讨通过特定CrO₃吸附构型诱导石墨烯自旋极化的可能性。
• 分析吸附位点、分子取向及曲率效应对电子性质的影响。
• 评估CrO₃功能化石墨烯作为化学传感器和自旋滤波器件平台的潜力。

提出的方法

• 采用自旋极化Kohn-Sham密度泛函理论（DFT），使用广义梯度近似（GGA）和规范守恒赝势。
• 使用SIESTA代码在含32个原子的石墨烯超胞中执行完全自洽计算，采用周期性边界条件。
• 采用双ζ基组并附加极化函数，电荷密度积分截断能为200 Ry。
• 采用5×5×1 Monkhorst-Pack k点网格对布里渊区进行采样，以确保收敛性。
• 通过共轭梯度法进行结构优化，直至原子受力低于0.05 eV/Å。
• 通过电荷转移、能带结构、态密度（DOS）和局域态密度（LDOS）分析，评估电子和磁响应特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 CrO₃在石墨烯上的吸附是否可通过对称性破缺和电荷转移诱导带隙？
• RQ2 CrO₃的吸附位点和分子取向如何影响石墨烯的电子结构？
• RQ3 在何种构型下，CrO₃掺杂可导致石墨烯中出现自旋极化？
• RQ4 曲率（如碳纳米管中）如何影响CrO₃在碳表面的结合能和吸附稳定性？
• RQ5 CrO₃功能化石墨烯在多大程度上可作为可调电子和自旋电子器件的平台？

主要发现

• 当CrO₃吸附在最稳定位点时，由于石墨烯镜像对称性的破缺，在狄拉克点打开约0.12 eV的带隙。
• 仅在最稳定的吸附构型中观察到0.4 μB的自旋极化，归因于CrO₃氧原子与石墨烯表面之间的电荷重分布。
• 由于电子从石墨烯向CrO₃转移，费米能级相对于本征石墨烯下移最多达0.8 eV。
• 电子结构对吸附位点和分子取向高度敏感，仅特定构型可诱导带隙打开和自旋极化。
• CrO₃在曲面碳结构（如(8,0) SWNT）上的结合能比在平面石墨烯上更高，结合能增加0.4 eV（分别为1.01 eV和1.4 eV）。
• 通过局域态密度图谱确认了CrO₃的3d态与石墨烯π带之间的杂化，显示在-1.2 eV和-1.8 eV处具有明显特征。