文摘

石墨烯单层的粘附到终止或2 x1-reconstructed金刚石(111)表面在当前研究中一直是理论上研究通过使用密度泛函理论(DFT)方法。O H F,哦物种被用于表面终止。广义梯度自旋密度近似(GG (S))中使用了半经验的色散修正范德华相互作用的研究。有一个较弱的界面键(只有Wan-der-Waals交互型)在距离约3(从2.68到3.36)界面石墨烯/ /钻石系统在目前的研究中。最强的绑定H-terminated得到石墨烯的表面,与粘附的能量-10.6 eV。相比之下,最弱的绑定的石墨烯得到F-termination (-2.9 eV)的粘附能源。对于所有的情况在目前的研究中,发现石墨烯层保留其芳香的性格。尽管如此,一定程度的电子转移观察从石墨烯 - - - - - -, - - - - - -,和OH-terminated钻石表面。此外,石墨烯附着 - - - - - -终止表面显示有限的带隙。

1。介绍

二维晶体石墨烯由于其特殊的能带结构是独一无二的。的π和 乐队的石墨烯表现出线性色散在费米能级,并加入了一个点(即。,一个狄拉克点)。石墨烯具有高载流子迁移率(可受表面),饱和速度、高稳定性、良好的电和热导率在环境条件下,等等。1- - - - - -3]。有吸引力的物理和化学性质使其在许多潜在的流行应用程序(4]。然而,由于零带隙,限制使用石墨烯晶体管装置(5]。因此,它是非常有趣和重要的创建一个相当大的和良好定义的带隙,而减少承运人运输本征石墨烯的性质。当定位石墨烯一些表面外延,完美的石墨烯二维结构可以在三维变形,从而影响石墨烯的电子性质。

发展的外延石墨烯到Si / SiC / SiO2衬底,Si / SiC / SiO2观察限制造成额外的散射从带电表面的载流子迁移率和杂质,表面声子能量低,和大陷阱密度。SiO2非常热电阻,这将限制石墨烯的内在性质,从而降低石墨烯的电流容量(6,7]。钻石最近被引入作为外延石墨烯良好的表面。实验工作表明,取代SiO2与钻石,可以实现高载流电容的本征石墨烯和字母的击穿电流密度增加6]。钻石由sp3杂化碳原子。它有一个大的带隙和具有优良性能如热稳定性高、辐射硬度,耐化学性,散热7]。有一些实验研究的电子性质和合成sp2(石墨烯)-on-sp3(钻石)系统(6,8- - - - - -12]。graphene-on-diamond系统也一直在探索在高频石墨烯晶体管等许多应用程序(13和自旋极化的导电线,14]。

外延石墨烯之间的相互作用在钻石表面早已经从理论上研究[15- - - - - -17]。石墨烯之间的交互和清洁nondoped(或掺杂)金刚石表面最近也被研究过的作者。然而,详细的石墨烯和不同终止钻石表面之间的相互作用仍然是未知的。表面的未配对电子C原子通常由终端钝化与不同的原子或分子被吸附物。金刚石表面还可以使钝化这些激进的C原子进行表面重建。2 x1-reconstructed金刚石(111)表面没有悬空碳键表面上。因此,饱和表面已被用来作为参考表面在这项研究中比较不同的吸附物钝化金刚石(111)表面。最常用的吸附物啊,哦,H, f .终止物种,这是用于目的维护的立方结构金刚石表面,不仅会提高金刚石表面的质量,而且还常常影响表面电子结构。钻石表面的现象终止实验已经观察到显著影响电子亲和能,反应性和导电性18- - - - - -21]。因此,它是相当重要的实现更深层次的了解石墨烯之间的交互和钻石表面上的吸附物。更具体地说,本研究的目的是研究石墨烯的精力充沛的稳定性和电子性质与金刚石(111)表面不同终止类型(F - H -, - - - - - -,哦,,, -)而重建钻石(111)2 x1表面。这是一个理论研究基于DFT在周期性边界条件下的计算。nonterminated类似的研究,但掺杂金刚石(111)表面之前一直是由目前的作者。B和n型金刚石表面,然后与nondoped表面(22]。因为小晶体的晶格失配(2%)和石墨烯之间金刚石(111)表面,这个特定的钻石表面承诺作为衬底外延石墨烯的生长。因此,这种结构性金刚石(111)表面和石墨烯之间的相似性使金刚石(111)表面最合适在钻石表面终止研究影响石墨烯之间的交互和钻石(111)。为了调查不同终端的影响,外延石墨烯的附着力能源和电子结构在吸附不同终止金刚石(111)表面有被计算和分析。

2。计算方法

几何结构不同的钻石(111)/石墨烯接口在本研究被使用密度泛函理论(DFT)计算(使用从BIOVIA CASTEP软件(23- - - - - -25)所以也总能量和电子性质相同的系统。这些计算是基于一个ultrasoft伪势平面波方法在周期性边界条件下(26]。此外,一个自旋极化Perdew伯克Ernzerhof (PBE)使用功能(从这里上称为广义梯度近似方法,GGA),增强与Tkatchenko-Scheffler范德瓦耳斯(TS-VdW)校正27]。范德瓦耳斯就是secu * tanu减去vdW()的相互作用是非常重要的能够处理在一个钻石/石墨烯系统的理论研究。原因是标准的DFT方法不能正确描述就是secu * tanu减去vdW弱相互作用。

此外,平面波能源截止380.00 eV,早些时候已被发现足够的用于当前类型的研究(28]。此外,Monkhorst-Pack [29日计划是用于生成统一的网格的k点倒易空间(1×1×1)。这个网也早被发现足够的用于这种类型的研究。(30.]。

金刚石表面之间的电子转移的可能性和附加的单层石墨烯也被计算通过使用电子密度不同情节和计算态密度(DOS)光谱。电子密度的差异是对各种计算终止钻石表面和石墨烯表(见(1))。这些密度差异,因此,电子信息重新分配时附加的单层石墨烯在钻石(111)。 在哪里 , ,和 是钻石/石墨烯系统的电子密度,终止金刚石(111)表面,分别和石墨烯单层。

3所示。模型

终止金刚石(111)表面,外延坚持单层石墨烯,作为超晶胞模型在目前的研究。非常低的晶格不匹配钻石(111)和石墨烯(2%)是钻石表面的理由选择飞机。石墨烯的模型系统和H-terminated重建2×1钻石(111)没有任何被吸附物在图所示1。

(一)
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(b)
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图1
侧面的石墨烯的(a) H-terminated金刚石(111)表面,和(b)上nonterminated重建金刚石(111)表面2×1。H和C原子所示白色和灰色的颜色,分别。

钻石/石墨烯界面模型包括钻石6 C层(每个包含16个原子)和32 C原子在石墨烯片。能量最稳定的金刚石(111)表面之间的距离和石墨烯被调整(手动)寻找钻石和石墨烯之间的距离,和对每个距离计算钻石/石墨烯系统的总能量。此外,早期的理论研究表明,6 C层充分利用在钻石表面性质和结构的研究31日]。

F - H -,哦,,, - - - - - -,和 - - - - - -终止金刚石(111)表面,以及nonterminated重建金刚石(111)表面2 x1,在目前的研究作为石墨烯表面外延附着力。最低的位置钻石碳层原子与氢原子终止,和两层保持固定在几何优化为了模拟大部分钻石的延续。所有其他原子被允许完全放松在几何优化过程中使用bfg算法(Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno) [32]。超晶胞内的真空层,由于测试计算,设置至少15为了避免石墨烯和钻石表面之间的相互作用在邻近的细胞。

4所示。结果与讨论

4.1。附着力能量和几何结构的石墨烯粘到金刚石(111)表面
以下4.4.1。一般

在寻找最佳的石墨烯/ /钻石(GD)界面的距离,连接之间的分离石墨烯ad-layer和钻石表面是不同的从2到5,0.2的步骤大小。进行几何优化,这些diamond-graphene距离,确定积极的目的最喜欢界面结构。附着力能量的单层石墨烯附着在终止金刚石(111)表面被使用之后计算 在哪里 , ,和 是整个系统的能量,金刚石(111)表面,分别和单层石墨烯表。为了能够比较这些结果与结果为其他超晶胞大小,这些粘附能量与石墨烯的总数/ C原子的超晶胞(n)。

4.1.2。计算几何结构和粘附能量使用GGA TS-vdW修正功能

附着力能量的计算结果,除了diamond-graphene层间的距离,如表所示1。附着力能源系统相当小。因此,金刚石表面之间的相互作用和附加的单层石墨烯都很弱。此外,人们可以观察到所有GD的附着力的能量系统是消极的,因此都粘附过程是放热的。从表最明显的结论1是,界面距离越短,附着力越明显(即能量。更负粘合能量)(这个结论的例外哦, - - - - - -钻石(111),终止nonterminated 2 x1-reconstructed(111)表面)。因此,可以得出这样的结论:界面距离越大,ad-layer石墨烯之间的弱界面交互和终止钻石表面。石墨烯单层之间最短的距离和H-terminated钻石表面是2.68,这是与粘附的能量-10.6焦每摩尔。获得最大的石墨烯附着能量F-terminated钻石的表面(-2.9焦每摩尔)3.11界面的距离。因此,石墨烯和F-terminated钻石表面之间的弱相互作用,这将在下一节中详细解释。

表1
界面的距离和粘附能量的单层石墨烯坚持nonterminated 2×1-reconstructed金刚石(111)表面,或H - F -, - - - - - -,哦,,, - - - - - -终止金刚石(111)表面,分别。

正如上面提到的,有异常清晰的界面距离之间的相关性和粘附的能量。o相关的吸附物( ,哦, ),界面的距离(3.00很相似 ,哦,2.94和2.97 )。然而,吸附能量变化(-7.8焦每摩尔 ,哦,-4.8焦每摩尔,-5.4焦每摩尔 )。因此,石墨烯之间的交互,这些钻石表面似乎是不同类型的。将部分所示4.2,一个 - - - - - -终止金刚石与石墨烯ad-layer表面显示了强大的交互。

此外,nonterminated重建2×1的界面距离3.36钻石表面而粘附能量(-6.69焦每摩尔)是不同的。这个界面距离非常接近界面的距离(3.35)之间不同的石墨烯层石墨。

此外,还观察到终止钻石表面的几何形状不会改变当添加石墨烯上。这也是nonterminated钻石表面的情况。当最初定位的单层石墨烯非常接近钻石表面(在1.5至2),石墨烯层被发现击退从终止钻石表面的界面距离超过2.6。现在被发现在早前调查的作者,nonterminated钻石表面被用于计算,有一个能量势垒,必须克服为了使石墨烯表对金刚石表面用化学方法吸收。在本文,晃来晃去的表面碳键已经被各种物种饱和(H, F, O,哦),或者他们已经被重建表面碳原子,甚至因此更难石墨烯表与终止金刚石表面形成共价键。因此,石墨烯ad-layer喜欢与范德瓦耳斯相互作用对金刚石表面在目前的调查。

4.2。石墨烯的电子结构粘到金刚石(111)表面
4.2.1。准备一般

金刚石(111)表面已经2 x1-reconstructed(作为nonterminated表面)与不同物种或终止(H, F,哦,和O)。碳原子电负性差异和吸附物会导致表面极化。此外,physisorbed外延石墨烯在钻石表面预计将影响钻石表面的电子性质。此外,终止钻石表面预计将影响石墨烯的电子性质。从而是有趣的研究电子石墨和金刚石表面之间的相互作用通过分析各种界面的电子结构系统。电子密度差异,能带结构和态密度(DOS)光谱为此一直作为技术工具。

4.2.2。电子密度的计算差异

早先研究nondoped金刚石(111)表面显示,大力的首选diamond-graphene距离,没有共价键的形成。这仍然是石墨烯的情况2 x1-reconstructed之上,或终止,金刚石(111)表面。在目前的研究中,更多详细信息的绑定情况在GD的接口(石墨烯/ /钻石)系统得到的结果计算电子密度不同。该方法中描述的部分2。计算的细节。这些类型的计算不仅给界面绑定信息,而且还对界面电子转移的发生。两个电子积累(红色)和电子损耗(蓝色)图中可以看到2。这些值计算一个孤立的石墨烯片和一个孤立的金刚石(111)表面。

(一)
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(c)
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(h)
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图2
电子密度不同的侧面GHD (a)系统中,(b) GFD系统,(c) G D系统,(D) GOHD系统(e) G D系统(f)阻止GD2×1系统,GHD (g)系统和g (h) D系统。(一)——(g)的等值面设置为0.001 /,和等位面(h)被设置为0.015 /。H、O、C、F原子所示白色,红色,灰色,绿色,分别。故事情节从∆的色标ρ= -0.007 /3∆(蓝色)ρ= 0.007 /3(红色)。

GD系统,没有电子积累钻石表面的石墨烯碳原子和原子之间界面内的空间。这个观察证实了石墨烯之间缺乏共价键和所有终止或重建的金刚石(111)表面。我们可以看到在图2颜色有不同强度的各种情节。更强烈的色彩显示更明显的电子石墨和金刚石(111)表面之间的相互作用。这是很明显的 - - - - - -终止钻石系统显示电子密度差异的最强烈的色彩。因此,石墨烯ad-layer和之间的交互 - - - - - -终止金刚石(111)表面是最强的各种界面系统的研究。有大型电子损耗(强烈的蓝色)π石墨烯C原子的轨道,一个小电子积累(淡红色)σ轨道的石墨烯C,一个大型电子积累(暗红色)的网站 被吸附物。此外,一些电子再分配发生在石墨烯ad-layer时附加一个石墨烯 - - - - - -终止钻石表面。然而,总有一个从石墨烯的电子转移 终止钻石表面。对于其他oxygen-related表面终端(哦, -),情况几乎相同,但由于界面相互作用弱得多。在石墨烯ad-layer电子再分配发生也。有一个小电子损耗数的石墨烯碳原子位于上方的O原子(哦, )积累和一些小型电子在石墨烯原子接近电子耗尽C原子。此外,也有一些小型电子积累在O原子(哦, )在GOHD(石墨烯和OH-terminated钻石)和G D(石墨烯和 - - - - - -终止钻石)系统。因此,它是可能的状态,o相关吸附物可以诱导一些电子在石墨烯ad-layer再分配时将石墨烯的终止钻石表面。此外,还有一个小间的电荷转移石墨烯和哦, - - - - - -终止金刚石(111)表面。

计算电子密度不同地图被发现是不同的H -和F-terminated表面。GFD(石墨烯和F-terminated钻石)系统中,有相当一个小电子积累上面的F吸附物和C原子在石墨烯(小红等值面)。这些结果证实GFD系统系统,电子之间的相互作用涉及到最小的钻石表面和粘石墨烯片。同意这个观点的结果部分4.1,这表明F-terminated钻石表面经历最弱的石墨和金刚石表面之间的相互作用(所有表面终端研究)。吸附的能量(-2.9焦每摩尔)是研究从而最大的一个礼物。

不同于GFD系统,电子在H-terminated钻石主要是碳氢键上的重新分配。应该强调,较小的界面石墨烯和H-terminated钻石表面之间的距离(2.68)耦合更强的原子相互作用(强的范德华相互作用,从而获得更大的吸附能量)比GFD系统(3.11大界面的距离)。除了电子再分配中的碳氢键,蓝色(电子积累)和石墨烯之间的界面空间内存在H-terminated钻石表面。此外,没有可见的石墨烯ad-layer内的电子密度差异。相比之下,GHD和G的电子密度不同的情节 D所示的数据2 (g)和2 (h)。这两个情节,等值面值选择不同由于不同大小的石墨烯和终止钻石表面之间的相互作用。当减少的值等值面,没有额外的外观原子在这些系统的新领域。对G D系统,有大型电子损耗π石墨烯C原子的轨道。因此,有一个从石墨烯的电子转移 - - - - - -终止钻石表面。这个同意结果如图2 (c)。此外,GHD系统上有一个小电子积累C原子略高于H在钻石表面吸附物。因此,可以得出这样的结论:有一个小的电子转移从H-terminated钻石表面粘石墨烯ad-layer。

总之,这里提出了电子密度不同的地图做(通常)强烈与计算吸附能量(如部分中给出4.1)。除了少数例外,有一个小钻石表面之间的电子转移程度和附加的外延石墨烯表。作为例外,有非常小的电子相互作用石墨烯和F-terminated钻石表面几乎没有电子转移发生。电子转移的方向 - - - - - -从石墨烯和OH-terminated钻石表面金刚石表面。恰恰相反的H-terminated钻石表面的电子转移发生ad-layer钻石表面的石墨烯。在diamond-graphene界面电子转移的方向将进一步介绍,在下一节中讨论。

4.3。石墨烯的能带结构/ /钻石体系

这是合理的期望,当定位一个石墨烯层的钻石表面,与表面的交互会诱发一些乐队开放。这个属性是非常重要的开关在使用石墨烯的电子设备。在目前的研究中,乐队的形状结构的金刚石表面和石墨烯(GD系统内)非常相似的内在终止钻石(111)和石墨烯,分别。GD系统调查,没有混合状态为石墨和金刚石的表面。这种情况下表示非常弱的钻石表面之间的相互作用及其粘的单层石墨烯。

我们可以看到数据3 (c)和3 (d)GHD系统,石墨烯的带隙打开ad-layer在狄拉克点非常小。石墨烯上的这些带隙值小于H-terminated金刚石(111)表面 在室温下T(25兆电子伏)。这个同意与胡锦涛等。结果,从理论上预测没有带隙孔石墨烯当连接到一个H-terminated钻石表面(15]。在目前的研究中,GFD G D, GOHD系统还显示带隙,小于 T在室温(25兆电子伏),类似于GHD系统。因此,H - F -, - - - - - -,哦,终止钻石表面不会影响石墨烯的电子结构ad-layer。然而,这些乐队结构之间有一些差异。GFD, G D, GOHD系统,费米能级穿过狄拉克点,本征石墨烯的情况是一样的。然而,GHD系统,狄拉克点是-0.97 eV低于费米能级的内在的石墨烯(见图4(一))。这一观点的主要原因是消极H-terminated钻石表面的电子亲和能。此外,功函数的单层石墨烯甚至大于H-terminated钻石表面功函数。VBM(价带最大)的钻石表面谎言,因此,外延石墨烯的狄拉克点以上。因此,一个电子转移从H-terminated钻石表面的单层石墨烯有望发生。就像部分所示4.2,电子密度差异的结果也证明了这一点。因此,可能状态的单层石墨烯,附加到一个H-terminated钻石表面,是n型掺杂。

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(b)
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(d)
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图3
的电子能带结构(a, b) H-terminated金刚石(111)表面,GHD (c, d)系统中,一个(e, f) - - - - - -终止金刚石(111)表面,和g (g, h) D系统。(a)、(c) (e)和(g)的数字代表向上状态,和(b), (d), (f)和(h)数字表示向下的状态。费米能级被设置为零,并由虚线标记为零能量。
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图4
计算DOS情节为本征石墨烯(红色虚线)除了(a)单层石墨烯坚持一个H-terminated钻石表面(黑),或(b)坚持一个单层的石墨烯 - - - - - -终止钻石表面(黑)。费米能级是黑色虚线所示。

此外,由于相对很强的影响的 终止金刚石衬底上外延石墨烯的附着力,窄带隙在狄拉克点是可以预料的。在G D系统,从而将电子转移石墨烯单层的 - - - - - -终止钻石表面。

在图4 (b)之间的比较,为本征石墨烯和态密度 - - - - - -终止diamond-supported石墨烯。两个系统的分散的状态非常相似。然而,G D系统,石墨烯的费米能级是down-shifted对狄拉克点近1 eV。这是因为工作的功能 - - - - - -终止钻石表面的功函数大于单层的石墨烯。因此,附加的单层石墨烯将p型掺杂。因此,将会有一个洞在石墨烯ad-layer积累电子以来从单层的石墨烯转移到 - - - - - -终止钻石表面。这一现象的电子转移也观察到在电子密度的计算差异和原子的指控。

的能带结构 - - - - - -终止金刚石(111)表面如图3 (e)和3 (f),所以也自旋极化G带结构 D系统数据3 (f)和3 (h)。的 - - - - - -金刚石表面有一个终止连接石墨烯ad-layer诱导自旋极化。Femi周围的能带结构的G D系统是相当不同的 - - - - - -终止钻石。狄拉克点高于费米能级变化,从DOS同意结果计算(如图4 (b))。还有一个明显的,但小,带隙的富于200伏在狄拉克点的石墨烯ad-layer G 大于D系统 在室温下T(25兆电子伏)。因此,石墨烯ad-layer将与一个有限的直接作为半导体小带隙不减少其他主要特征的内在石墨烯(例如,零带隙)。这些发现改善的可能性,使用石墨烯在各种电子设备(即。,使用石墨烯ad-layer晶体管打开/关闭设备)。

5。摘要和结论

在目前的研究中,DFT方法被用于研究能量和电子之间的相互作用单层石墨烯和各种金刚石(111)表面或终止nonterminated 2 x1重建金刚石(111)表面。已经得出结论,只有石墨烯ad-layer之间的范德华相互作用和H -哦-,F -, - - - - - -,或 - - - - - -终止或nonterminated 2 x1-reconstructed金刚石(111)表面。已经表明,吸附物会影响吸附能终止连接石墨烯片上的金刚石表面。H金刚石(111)表面的吸附物被发现提供最大的交互与石墨烯ad-layer (-10.6 eV)的吸附能。相比之下,最小的diamond-graphene交互观察F-termination钻石表面(-2.9 eV)的吸附能。此外,观察部分电子转移发生在石墨烯ad-layer和H -, - - - - - -,哦,,或 - - - - - -终止钻石表面。总有一个从石墨烯的电子转移 - - - - - -,哦,,, - - - - - -终止钻石表面。相反,有一个电子转移对石墨烯ad-layer H-terminated钻石表面。此外, 终止表面发现有最强的交互的外延单层石墨烯。石墨烯和制度 终止钻石显示最大的电子转移。此外,单层石墨烯,连着一个 终止钻石表面,显示一个有限的带隙。这个观察是非常有前途的diamond-supported石墨烯晶体管设备的使用。

数据可用性

理论数据用于支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作得到了瑞典研究理事会(VR)。使用CASTEP生成结果,材料工作室是由BIOVIA Inc .在这个工作成果包括论文的作者之一(Shuainan赵)数字的乌普萨拉论文全面总结1370年科技学院。