Interplay between nitrogen dopants and native point defects in graphene

グラフェン中の窒素ドーパントと点欠陥の相互作用

Hou, Z.*; Wang, X.*; 池田 隆司; 寺倉 清之*; 尾嶋 正治*; 柿本 雅明*; 宮田 清蔵*

Hou, Z.*; Wang, X.*; Ikeda, Takashi; Terakura, Kiyoyuki*; Oshima, Masaharu*; Kakimoto, Masaaki*; Miyata, Seizo*

グラフェン中の窒素ドーパントと点欠陥の相互作用を理解するために空孔あるいはStone-Wales欠陥を含む窒素ドープグラフェンの安定性を密度汎関数法を用いて調べた。窒素は欠陥周囲の炭素と置換することを好み、特にボンドの縮みが大きいサイトを好むことがわかった。このことは欠陥を含んだグラフェンにおいては欠陥によって誘起されるひずみが窒素の安定化にとって重要であることを示唆する。単原子空孔が存在する場合、ピリジン様窒素が最安定であるが、他の欠陥の場合窒素は5員環内のサイトを好むことがわかった。点欠陥は窒素ドーパントの安定性に大きく影響し欠陥のないグラフェンでは窒素ドープは吸熱的であるが、欠陥があると発熱的となる。われわれの結果は点欠陥と窒素ドーパントは協奏的に働き、窒素ドーパントは欠陥の生成確率を増大させ、逆に欠陥は窒素のドープ量を増大させることを示唆している。

To understand the interaction between nitrogen dopants and point defects in graphene, we have studied energetic stability of N-doped graphene with vacancies and Stone-Wales defect by performing the density functional theory calculations. Our results show that N substitution energetically prefers to occur at the carbon atoms near the defects, especially for those sites with larger bond shortening, indicating that the defect-induced strain plays an important role in the stability of N dopants. In the presence of mono-vacancy, the most stable position for N is the pyridine-like configuration while for other point defects studied N prefers a site in the pentagonal ring. While the N doping is endothermic in defect-free graphene, it becomes exothermic for defective one. Our results imply that the point defect and N dopant attract each other, which means that substitutional N dopants would increase the probability of point defect generation and vice versa.