Электронные свойства однослойного графена, допированные атомами азота

Во всем мире активно ищут способы повысить электропроводность графенов и целенаправленно менять их электрические свойства. Перспективный подход заключается во внедрении в кристаллическую решетку графеновых материалов чужеродных атомов (легирующих примесей), способных замещать атомы углерода (так называемый метод допирования). На роль «заместителя» хорошо подходит азот, обладающий схожей с углеродом электронной конфигурацией и близкими размерами атомного радиуса. Легирование азотом позволяет модифицировать электронную структуру графена вблизи уровня Ферми, что является одной из ключевых особенностей, обуславливающих возможность применения графена в микроэлектронике. В настоящей работе в рамках теории функционала плотности проведен ab initio расчет зонной структуры однослойного графена, допированного атомами азота. Установлено, что на структурные и электронные свойства таких систем сильное влияние оказывают концентрация легирующей примеси и его расположение в кристаллической решетке графена. Изучены эффекты влияния допирования монослоя графена на его электронный спектр. Эти результаты указывают на возможность регулирования ширины запрещенной зоны соответствующим выбором концентрации легирующей примеси и от положения примеси в кристаллической решетке графена.

теория функционала плотности, углеродные наноматериалы, графен, кристаллическая структура, обобщенное градиентное приближение, суперячейка, структурная оптимизация, допирование атомами азота, концентрация легирующей примеси, зонная структура, запрещенная зона

1. Geim A. K., Novoselov K. S. The Rise of Graphene //Nature Material. - 2007. - V. 6, №3.- Pp.183-191.

2. Morozov S. V., Novoselov K. S., Katsnelson M. I., Schedin F., Elias D. C., Jaszczak J. A., Geim A. Synthesis and Characterization of Mass Produced High Quality Few Layered Graphene Sheets via a Chemical Method//Phys. Rev. Lett. - 2008. - V. 100, №3. - Pp. 016602-016606.

3. Lee C., Wei X., Li Q., Carpick R., Kysar J., Hone J. Superior thermal conductivity of single-layer graphene // Nano Lett. - 2008. - V. 8, №3. Pp. 902-907.

4. Balandin A. A., Ghosh S., Bao W., Calizo I., Teweldebrhan D., Miao F., Lau C. N. Chemistry and association of vanadium compounds in heavy oil and bitumen,and implications for their selective removal // Energy Fuels. - 2010. - V. 24. - Pp. 2795-2808.

5. Berger C., Song Z., Li T., Li X., Ogbazghi A. Y., Feng R., Dai Z., Marchenkov A. N., Conrad E. H., First P. N., de Heerl W. A. Ultrathin epitaxial graphite: 2D electron gas properties and a route toward graphene-based nanoelectronics // J. Phys. Chem. B. - 2004. - V. 108, № 52. - 19912-19916.

6. Ahlgren E.H., Kotakoski J., Krasheninnikov A.V. Atomistic simulations of the implantation of low energy boron and nitrogen ions into graphene // Phys. Rev. B. - 2011. - V. 83, № 115. - Pp. 424-431.

7. Sun Z., Yan Z., Yao J., Beitler E., Zhu Y., Tour J.M. Growth of graphene from solid carbon sources // Nature. - 2010. - V.468. - Pp. 549-552.

8. Jin Z., Yao J., Kittrell C., Tour J.M. Large-scale growth and characterizations of nitrogen-doped monolayer graphene sheets // ACS Nano. - 2011. - V.5. - Pp. 4112-4117.

9. Lin Y. C., Lin C. Y., Chiu P.W. Controllable graphene N-doping with ammonia plasma // Appl. Phys. Lett. - 2010. - V. 96, № 133. - P. 133110

10. Usachov D., Vilkov O., Gruneis A., Haberer D., Fedorov A., Adamchuk V. K., , Preobrajenski A. B., Dudin P., Barinov A., et al. Nitrogen-doped graphene: Efficient growth, structure, and electronic properties // Nano Lett. - 2011. - V. 11. - Pp. 5401-5407.

11. Usachov D. Y., Fedorov A. V., Vilkov O. Y., Senkovskiy B. V., Adamchuk V. K., Andryushechkin B. V., Vyalikh D. V. Synthesis and Electronic Structure of Nitrogen-Doped Graphene // Physics of Solid State. - 2013. - V. 55. - Pp. 1125-1131.

12. Lin Y.-M., Dimitrakopoulos C., Jenkins K. A., Farmer D. B., Chiu H.-Y., Grill A., Avouris P. 100-GHz transistors from wafer-scale epitaxial graphene // Science. - 2010. - V. 327. - P. 662.

13. Novoselov K. S., Geim A. K., Morozov S. V., Jiang D., Zhang Y., Dubonos S. V., et al. Electric field effect in atomically thin carbon films // Science. - 2004. - V. 306. - Pp. 666-669.

14. Laref A., Ahmed A., Bin-Omran S., Luo S. J. First-principle analysis of the electronic and optical properties of boron and nitrogen doped carbon mono-layer graphenes //Carbon. - 2015. - V. 81. - Pp. 179-192.

15. Rani P., Jindal V. K. Designing band gap of graphene by B and N dopant atoms //RSC Adv. - 2013. - V. 3. - Pp. 802-812.

16. Perdew J. P., Burke K., Ernzerhof M. Generalized gradient approximation made simple // Phys. Rev. Lett. - 1996. - V. 77, № 18. - Pp. 3865-3868.

17. Monkhorst H. J., Pack J. D. Special points for brillouin-zone integrations // Phys. Rev. B. - 1976. - V. 13. - Pp. 5188-5192.

18. Varghese S. S., Swaminathan S., Singh K. K., Mittal V. Energetic Stabilities, Structural and Electronic Properties of Monolayer Graphene Doped with Boron and Nitrogen Atoms // Electronics. - 2016. - V. 5. - Pp. 91-127.

19. Wang Z., Qin S., Wang C. Electronic and magnetic properties of single-layer graphene doped by nitrogen atoms //Eur. Phys. J. B. - 2014. - V. 87. - Pp. 5401-5407.