Статья опубликована в Nanoscale (2022).
Оксид графена (ОГ) привлекает значительное внимание в связи с возможностью его широкомасштабного и недорогого синтеза. ОГ рассматривается в качестве привлекательного материала для многочисленных применений в области хранения энергии, двумерной электроники и оптоэлектроники, фотокатализа и мемристоров. Такая большая вариабельность свойств ОГ, по-видимому, обусловлена богатым разнообразием возможных химических составов и структурных особенностей. Для дальнейшего расширения практического применения ОГ очень важно достичь понимания в связях между химическим составом, атомной структурой и электронными свойствами ОГ.
В данной статье представлены результаты комплексного вычислительного исследования оксида графена как материала с возможностью гибкой настройки структуры и электронных свойств для использования в электронике. Во-первых, мы рассмотрели различные фазы полностью окисленного ОГ и определили наиболее энергетически выгодные структуры среди них с помощью теории функционала плотности. Мы выбрали три возможных стехиометрии ОГ и показали, что они образуют высокостабильные границы раздела ОГ/графен. Во-вторых, мы поместили графеновые нанодорожки (НДОГ') типа кресло (КР) и зигзаг (ЗЗ) в выбранные матрицы ОГ и исследовали их термодинамические, электронные и магнитные свойства в зависимости от ширины нанодорожки. Мы показали, что нанодорожки КР термодинамически стабильны, что даёт возможность управления запрещенной зоной путём изменения ширины нанодорожки. КР нанодорожки имеют осциллирующее поведение запрещённой зоны (Рис. (a)) и эффективных масс. При этом, очень низкие величины последних (в диапазоне 0,05-0,2me) для случая широких нанодорожек (Рис. (b), вкладка) делают перспективным применение ОГ в качестве двумерного полупроводника. Наши результаты дают возможное объяснение широкому диапазону величин запрещённых зон ОГ, измеренных экспериментально.
Для ЗЗ нанодорожек (Рис. (с)) мы изучили влияние магнитного спинового упорядочения на их электронную структуру и показали, что ЗЗНДОГ' может вести себя как проводящий или полупроводящий материал, находясь в ферромагнитном или антиферромагнитном состоянии, соответственно. Было обнаружено, что АФМ-упорядочение является основным состоянием для системы ЗЗНДОГ', а также продемонстрирована возможность регулировки ширины запрещённой зоны путем изменения ширины нанодорожки (Рис. (d)). Наконец, мы исследовали влияние поперечного электрического поля на структуру зоны АФМ ЗЗНДОГ' и обнаружили, что существует критическое значение поля, при котором структура зоны становится полуметаллической.
a) Атомная структура 8-смешанный-КРНДОГ’ (приведены виды сверху и сбоку). Пунктиром показана орторомбическая элементарная ячейка, использованная в расчётах. Цифры (1, 2, 3, ..., NAC) указывают на количество димерных линий, составляющих ширину нанодорожки. b) Зависимость ширины запрещённой зоны КРНДОГ’ Δ от ширины нанополосы NAC для трех рассмотренных составов ОГ: эпокси-ОГ (красный), смешанного ОГ (оранжевый) и гидрокси-ОГ (зеленый). На вкладке представлена зависимость эффективных масс электронов как функция индекса КРНДОГ’. c) Атомные структуры 6-гидрокси-ЗЗНДОГ’ (вид сверху и сбоку). Пунктирными рамками обозначены орторомбические элементарные ячейки, используемые в расчётах. Цифрами (1, 2, ..., NZZ) обозначены зигзагообразные углеродные цепочки, составляющие графеновые нанодорожки. d) Зависимость антиферромагнитной ширины щели ΔЗЗНДОГ’ от ширины нанодорожки NZZ. Гиперболический закон (начиная с NZZ = 4) обозначен сплошными линиями соответствующих цветов.
Было установлено, что все эти эффекты проявляются одинаково для всех трех стехиометрий ОГ. Это позволяет сделать вывод, что электронные свойства НДОГ' определяются в основном графеновыми нанодорожками и слабо зависят от химического состава изолирующей матрицы. Таким образом, нет необходимости тщательного контроля состава ОГ при формировании в нём графеновых дорожек. Вместе с дешевизной и широкой доступностью, это означает, что ОГ может наконец стать материалом, на котором можно будет экспериментально наблюдать и измерять графеновые нанодорожки с их привлекательными электронными свойствами.
Можно полагать, что нанодорожки можно получить с помощью современных экспериментальных методов, таких как СТМ, облучение электронным пучком или нанолитография. Хотя в настоящее время нет прямых экспериментальных свидетельств существования оксида графена с такой структурой, мы считаем, что эти методы, успешно примененные к гидрированному и фторированному графену, могут быть обобщены и на случай кислородных групп. Мы предполагаем, что наши теоретические предсказания могут послужить хорошей мотивацией для движения в этом направлении, поскольку продемонстрированная в нашей работе возможность превращения ОГ в полупроводниковую структуру имеет большой потенциал для практического применения. Мы надеемся, что наши результаты будут полезны для коллег, работающих в области исследования оксида графена.
תגובות