[论文解读] 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 6

一句话总结

本研究证明，在Cu(111)上外延生长的石墨烯，其表面覆盖六方氮化硼（h-BN）缓冲层时，由于电子从Cu基底通过BN层转移，表现出本征n型掺杂和0.2 eV的带隙。该带隙位于费米能级以下0.5 eV处，使得费米能级可轻松调节至带隙内，从而形成半导体，这对于无需外加栅压的石墨烯基电子器件至关重要。

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.

研究动机与目标

• 研究在Cu(111)上外延生长h-BN缓冲层的石墨烯的电子性质。
• 理解该异质结构中带隙打开与n型掺杂的起源。
• 探索在不施加外部掺杂的情况下，构建栅压可调半导体的可行性。
• 评估该体系在实际石墨烯基电子器件中的潜力。

提出的方法

• 采用VASP代码进行第一性原理密度泛函理论（DFT）计算，使用投影缀加平面波（PAW）赝势。
• 交换关联泛函采用局域密度近似（LDA），布里渊区积分采用36×36×1的k点采样。
• 结构弛豫采用五层Cu(111)基底，其中底层两层固定，h-BN与石墨烯外延生长于其上。
• 电子结构计算采用十层Cu基底模型，其中中间两层原子层被弛豫。
• 在布里渊区的K点进行k分辨态密度（DOS）分析，以探测狄拉克锥行为与带隙形成。
• 对比两种原子构型（A1与A2），评估结构效应对电子性质的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在Cu(111)上外延生长h-BN缓冲层的石墨烯中，带隙的起源是什么？
• RQ2 来自Cu基底的电荷转移如何影响石墨烯的电子结构？
• RQ3 在不施加栅压的情况下，能否将费米能级调节至带隙内？
• RQ4 石墨烯亚晶格间的对称性破缺如何影响带隙的形成？
• RQ5 该异质结构中带隙的大小及其可调性如何？

主要发现

• 在狄拉克点处打开0.2 eV的带隙，位于费米能级以下0.5 eV，使石墨烯表现出窄带隙半导体行为。
• 电子从Cu(111)基底通过h-BN缓冲层转移到石墨烯，实现本征n型掺杂，无需外加栅压。
• 带隙源于石墨烯A与B亚晶格之间的对称性破缺，导致狄拉克点处价带与导带态的再杂化。
• k分辨态密度分析显示，价带狄拉克锥被电子占据，证实了高载流子迁移率的n型掺杂行为。
• 由于基底诱导的掺杂，费米能级位于带隙之上，可通过分子吸附或栅压实现费米能级轻松调入带隙。
• 通过选择性修饰区域以引入电子受体分子，该体系可实现p-n结的形成，支持可扩展的器件集成。