Bandgap för två lager grafen vid asymmetrisk dopning och pålagt elektriskt fält

Abstract

Syftet med projektet var att studera algoritmerna bakom täthetsfunktionalteori (DFT) och att använda DFT för att bestämma bandgap och laddningstäthet för tvålagrigt grafen, vilket gjordes med programvaran Quantum ESPRESSO. Många tillämpningar kräver ett bandgap vilket ej finns naturligt i materialet. Syftet med denna studie var därför att introducera det utan att sänka laddningsmobiliteten. Grafenlagren modifierades antingen genom att applicera ett elektriskt fält vinkelrätt över de två lagren med en styrka som varierades mellan 0,51V/nm och 10,28V/nm, eller genom dopning av det ena lagret. Dopningen skedde genom att använda superceller där en kolatom i det övre lagret byttes ut mot en bor- eller kväveatom, vilket är atomer med massa liknande kol men där en elektron har tagits bort eller lagts till. Dopkoncentrationer mellan 0,50% och 5,56% användes i det övre lagret. Vid dopning fann vi att laddningstätheten centrerades runt dopatomen. Laddningstäthetsskillnaden mellan det dopade och det odopade grafenet var i det undre lagret 10% av skillnaden i det övre lagret nära dopatomen. Värden för bandgapet låg runt 0,3 eV. Det var högst vid låg dopkoncentration och minskade därefter när koncentrationen ökades. För det odopade lagret ökade bandgapet mer än för hela systemet. Vidare upptäcktes en förändring av bandstruktur för celler som bestod av 3N ×3N primitiva celler, där N är ett heltal, vilket överensstämmer med tidigare artiklar. När ett elektriskt fält applicerades vinkelrätt över odopat grafen ökade bandgapet med fältstyrkan tills bandgapet nådde ett maximum på 0,3 eV. Trenderna för bandgapen som hittats bygger vidare på kunskap inom området och visar att beteendet för det undre lagrets bandgap skiljer sig från resten av systemet. Att isolera det undre lagrets bandstruktur kan därför övervägas i framtida studier.