[论文解读] Graphene/g-C2N bilayer:gap opening, enhanced visible light response and electrical field tuning band structure

Zhaoyong Guan, Jia Li+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 30, 2015

Graphene research and applications参考文献 44被引用 4

一句话总结

本研究提出了一种石墨烯/g-C2N双层异质结构，通过基底诱导的静电势在石墨烯中打开高达0.239 eV的可调带隙，实现室温下的半导体行为。该体系表现出增强的可见光吸收能力，并可通过外加电场动态调节带结构，实现从金属到半导体的转变，为光电器件和纳米电子器件提供了一个有前景的平台。

ABSTRACT

Opening up a band gap of the graphene and finding a suitable substrate are two challenges for constituting the nano-electronic equipment. A new two-dimensional layered crystal g-C2N (Nat. Commun. 2015, 6, 1--7) with novel electronic and optical properties can be effectively synthesized via a wet-chemical reaction. And g-C2N can be used as a suitable substrate to open the band gap of graphene as much as 0.239 eV, which is large enough for the band gap opening at room temperature. The physics behind the band gap opening is that g-C2N substrate can produce the inhomogeneous electrostatic potential over the graphene layer. The imposition of external electrical field can tune the band gap of the hybrid of graphene/g-C2N effectively from the semiconductors to the metal. The hybrid graphene/g-C2N displays an enhanced optical activity compared with the pure g-C2N monolayer.

研究动机与目标

• 解决本征石墨烯零带隙问题，以应对实际纳米电子器件应用的挑战。
• 探索g-C2N作为合适的二维基底，诱导石墨烯中带隙打开。
• 研究外加电场对石墨烯/g-C2N异质结构带结构可调性的调控机制。
• 评估该异质结构相较于孤立g-C2N的光学响应增强效果。
• 为具有定制化电子与光电子特性的二维范德华异质结构提供设计策略。

提出的方法

• 采用第一性原理密度泛函理论（DFT）计算，模拟石墨烯/g-C2N双层异质结构的电子与光学性质。
• 采用非均匀静电势模型，解释g-C2N基底相互作用导致石墨烯带隙打开的物理机制。
• 施加垂直于平面的外加电场，调节异质结构的能带对齐与带隙大小。
• 计算光学吸收光谱，比较双层异质结构与本征g-C2N的可见光响应性能。
• 分析电荷密度重分布与层间耦合，理解带隙形成机制。
• 进行能带结构与态密度（DOS）分析，表征外加电场下金属-半导体转变的电子特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 g-C2N基底是否能在石墨烯中诱导出足够大、足以实现室温电子应用的带隙？
• RQ2 石墨烯/g-C2N异质结构中带隙打开的物理起源是什么？
• RQ3 外加电场对带隙的调控能力有多大？
• RQ4 该双层异质结构在可见光波段的光学吸收性能与孤立g-C2N单层相比如何？
• RQ5 在外部栅压调控下，石墨烯/g-C2N异质结构能否作为可切换的半导体-金属系统工作？

主要发现

• 当石墨烯支撑于g-C2N上时，其带隙被打开至0.239 eV，该值足够大，可实现室温下的半导体工作。
• 该带隙源于g-C2N基底诱导的非均匀静电势，破坏了石墨烯的亚晶格对称性。
• 外加电场可连续调节带隙，实现从金属到半导体行为的动态电子调控。
• 与孤立g-C2N单层相比，石墨烯/g-C2N异质结构在可见光波段表现出显著增强的光学吸收。
• 在最优电场条件下，该体系保持直接带隙特性，有利于高效的光-物质相互作用。
• 计算得到的光学活性证实了该异质结构在可见光驱动光电器件中的应用潜力。