Interplay between oxidized monovacancy and nitrogen doping in graphene

グラフェンへの窒素ドーピングと酸化単空孔の相互作用

Hou, Z.*; Shu, D.-J.*; Chai, G.-L.*; 池田 隆司; 寺倉 清之*

Hou, Z.*; Shu, D.-J.*; Chai, G.-L.*; Ikeda, Takashi; Terakura, Kiyoyuki*

非貴金属触媒やナノ電子デバイス材料として注目されている窒素ドープグラフェンには、多くの場合、窒素量と同程度かそれ以上の酸素が含まれている。我々は、グラフェンの単空孔は複空孔やストーンウェルズ欠陥よりもしばしば観察され、より化学的に活性であることから、酸化単空孔と窒素ドーパントの相互作用を密度汎関数計算により調べた。温度と酸素、水素ガスの分圧の関数として窒素未ドープ酸化単空孔と窒素ドープ酸化単空孔の相図を求めた。また単空孔の酸化と窒素ドープによる電子構造の変化を調べた。我々の計算結果からエーテル基が酸化単空孔での安定構造に共通して存在し、ほとんどの安定構造ではキャリアがドープされないことがわかった。

In most of the N-doped graphene which attracts strong attention in the context of precious-metal free catalysts and nanoelectronics, the oxygen content is generally higher than or at least comparable to the nitrogen content. We perform density functional theory calculations to study the interplay of oxidized monovacancies and the nitrogen doping, motivated by the fact that MV is more frequently observed and more chemically active than divacancy and Stone-Wales defect. We determine the phase diagrams of un-doped and nitrogen-doped oxidized MVs as a function of temperature and partial pressure of O and H gases. The modification of the electronic structure of MV by oxidation and N doping is studied. Our results show that the ether group is a common component in stable configurations of oxidized MVs. Most of the stable configurations of oxidized MVs do not induce any carriers.