[论文解读] Configurations of structural defects in graphene and their effects on its transport properties

Taras M. Radchenko, V. A. Tatarenko+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2014

Graphene research and applications参考文献 2被引用 9

一句话总结

本研究结合统计热力学、动力学以及基于Kubo–Greenwood的数值方法，探究石墨烯中点缺陷和线缺陷的空间构型对电子输运的影响。结果表明，缺陷的原子有序排列与相关性——尤其是短程散射体和线缺陷——可使电导率相比随机分布提高多达数百倍，且表现出强烈的各向异性和由亚晶格间相互作用驱动的非单调有序动力学。

ABSTRACT

The chapter combines analytical (statistical-thermodynamic and kinetic) with numerical (Kubo-Greenwood-formalism-based) approaches used to ascertain an influence of the configurations of point (impurities, vacancies) and line (grain boundaries, atomic steps) defects on the charge transport in graphene. Possible substitutional and interstitial graphene-based superstructures are predicted and described. The arrangements of dopants over sites or interstices related with interatomic-interaction energies governing the configurations of impurities. Depending on whether the interatomic interactions are short- or long-range, the low-temperature stability diagrams in terms of interaction-energy parameters are obtained. The dominance of intersublattice interactions in competition with intrasublattice ones results in a nonmonotony of ordering-process kinetics. Spatial correlations of impurities do not affect the electronic conductivity of graphene for the most important experimentally-relevant cases of point defects, neutral adatoms and screened charged impurities, while atomic ordering can give rise in the conductivity up to tens times for weak and strong short-range potentials. There is no ordering effect manifestation for long-range potentials. The anisotropy of the conductivity along and across the line defects is revealed and gives rise in the conductivity of graphene with correlated line defects as compared with the case of random ones. Simultaneously correlated (and/or ordered) point and line defects in graphene can give rise in the conductivity up to hundreds times vs. their random distribution. On an example of different B or N doping configurations in graphene, results from the Kubo-Greenwood approach are compared with those obtained from DFT method.

研究动机与目标

• 理解点缺陷（杂质、空位）与线缺陷（晶界、台阶）的空间构型如何影响石墨烯中的电子输运。
• 确定缺陷的原子有序排列或相关性是否能增强电导率，特别是在实验相关的条件下。
• 将Kubo–Greenwood形式化方法的结果与密度泛函理论（DFT）在B/N共掺杂石墨烯构型下的结果进行比较。
• 分析短程与长程原子间相互作用在稳定缺陷超结构及调控输运行为中的作用。
• 研究化学气相沉积（CVD）和外延石墨烯中取向相关线缺陷引起的各向异性电导率。

提出的方法

• 采用统计热力学与动力学模型，基于原子间相互作用能推导缺陷构型的稳定性图。
• 在实时时空域中应用Kubo–Greenwood形式化方法，计算大规模石墨烯体系（最多数百万个原子）的电子电导率。
• 采用短程（中性吸附原子）和长程（屏蔽带电杂质）势能模拟点缺陷，采用基于Thomas–Fermi的等效势能模拟线缺陷。
• 模拟点缺陷与线缺陷的随机分布及相关/有序分布，以对比电导率结果。
• 引入晶格内与晶格间相互作用能，分析非单调有序动力学。
• 通过B/N共掺杂石墨烯的DFT计算验证数值结果，确保缺陷构型效应的准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 点缺陷的空间相关性与有序排列如何影响石墨烯的电导率，特别是对短程与长程散射势的影响？
• RQ2 取向相关线缺陷对石墨烯电导率的各向异性和大小有何影响？
• RQ3 竞争性的晶格内与晶格间相互作用如何影响石墨烯中缺陷超结构的动力学与稳定性？
• RQ4 当点缺陷与线缺陷共存时，与单一缺陷类型相比，电子-空穴不对称性在电导率中被改变的程度如何？
• RQ5 Kubo–Greenwood形式化方法能否准确预测缺陷有序化带来的电导率增强，特别是在大规模石墨烯体系中？

主要发现

• 短程散射体（如中性吸附原子）的原子有序排列可使石墨烯电导率相比随机分布提高多达数十倍。
• 仅当短程势为弱且不对称（排斥性）时，缺陷相关性可使电导率提升最多30%，而对强短程或长程高斯势无影响。
• 对于长程高斯势，无论相关性或有序性均不影响电导率，表明其散射机制存在根本性差异。
• 取向相关线缺陷相比无序情况显著提升电导率，且在缺陷密度较高时增强效应更明显。
• 点缺陷与线缺陷同时有序排列可使电导率相比随机分布提升高达数百倍。
• 含线缺陷的石墨烯电导率对电子密度表现出稳健的亚线性依赖关系，与点缺陷的线性趋势不同，且对屏蔽长度的依赖性较弱。