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Electronic structures of N-doped graphene with native point defects

点欠陥含有窒素ドープグラフェンの電子構造

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

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

密度汎関数理論計算を行い、欠陥あるいはStone-Wales欠陥を有する窒素ドープグラフェンの電子構造を調べた。われわれの結果は、グラフェン内の単空孔はホールドーパントとして働き、導入されたホールを補償するには2つの置換型窒素が必要であることを示している。一方、複空孔はフリーキャリアーを生成しない。興味深いことに、複空孔の孤立窒素ドーパントはドナーではなくアクセプターをして働く。理想的なグラフェン内の孤立窒素ドーパントと比較すると、置換型窒素ドーパントによって導入された電子は窒素対が形成されると著しく局在する。窒素間相互作用、及び点欠陥と窒素ドーパント間の相互作用はバルク$$pi$$バンドへのフリーキャリアー生成に関する窒素ドーパントの役割を大きく変えることがわかった。われわれの結果は、窒素ドーパントによって導入される自由電子の濃度がドープした窒素濃度よりも低いという実験の観察結果と定性的には一致している。

We have performed the DFT calculations to study the electronic structures of N-doped graphene with vacancies and Stone-Wales defect. Our results show that monovacancies in graphene act as hole dopants and that two substitutional N dopants are needed to compensate for the hole introduced by a monovacancy. On the other hand, divacancy does not produce any free carriers. Interestingly, a single N dopant at divacancy acts as an acceptor rather than a donor. Compared with the case of an isolated N dopant in perfect graphene, the electrons donated by substitutional N dopants would be localized significantly when a N-N pair is formed. The N-N interaction and the interference between native point defect and N dopant strongly modify the role of N doping regarding the free carrier production in the bulk $$pi$$ bands. Our results are qualitatively consistent with the experimental observation that the concentration of free electrons introduced by N dopants would be lower than that of doped N.

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パーセンタイル:3.63

分野:Materials Science, Multidisciplinary

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