Simulating impurities and edges in graphene

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2016-06-22
Date
2016
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
92 + app. 100
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 112/2016
Abstract
Graphene is a two-dimensional allotrope of carbon with incredible mechanical strength, high charge carrier mobility and excellent thermal conductivity. These remarkable properties present numerous potential applications in nanoelectronics and related fields. However, using graphene in a field-effect transistor requires opening a band gap, which can be achieved by cutting graphene into ribbons. Furthermore, the electronic structure and transport properties of graphene are modified by various kinds of defects, such as vacancies, impurities and grain boundaries. Both the defects and edges can host magnetic states that are useful in spintronics applications. In this Thesis, impurities and edges in graphene are simulated using computational techniques. Part of the research has been done in collaboration with experimental groups. The computational simulations provide the necessary link between theory and experiment, aiding in the interpretation of the measurements. The main computational methods used are tight-binding, exact diagonalization and density functional theory, of which the tight-binding and exact diagonalization methods were implemented by the author. Exact diagonalization was used to evaluate correlation energies and reference data to exchange-correlation functionals in two-dimensional quantum dots, electron-positron annihilation in three-dimensional quantum dots, and many-body properties of finite graphene nanoribbons. The research sheds light on the electronic and magnetic properties of graphene. By using the first-principles density functional theory, the formation energies of silicon and silicon-nitrogen impurities were evaluated to identify the relevant low-energy configurations. By fitting to tight-binding models, the transport properties of systems containing randomly distributed impurities were determined. Moreover, hydrogen adatoms with noncollinear spins were shown to scatter the electron spin strongly close to the charge neutrality point. The narrow finite graphene nanoribbons were found to have only small band gaps, and the simulated scanning tunneling microscopy maps and spectra of the ribbons agreed with the experiments. The precise atomic structure at the graphene-hexagonal boron nitride interfaces was determined with the help of simulations, and the interfaces were shown to host electronic states similar to those on the graphene edges. Overall, the theoretical and computational results build up the knowledge and understanding of graphene-related systems.

Grafeeni on hiilen kaksiulotteinen muoto. Sen rakenteellisen vahvuuden sekä hyvän sähkön- ja lämmönjohtavuuden ansiosta sille on esitetty monia mahdollisia sovelluskohteita esimerkiksi nanoelektroniikassa. Grafeenin käyttö transistoreissa kuitenkin vaatisi äärellisen energia-aukon, joka saadaan leikkaamalla grafeenia nauhoiksi. Grafeenin elektronirakenne ja kuljetusominaisuudet riippuvat hilavirheistä, kuten vakansseista, epäpuhtauksista ja raerajoista. Epäpuhtauksiin ja reunohin liittyvät tilat voivat olla magneettisia, mitä voisi hyödyntää spintroniikan sovelluksissa. Tässä väitöskirjassa grafeenin epäpuhtauksia ja reunoja on tutkittu laskennallisilla menetelmillä. Osa tutkimuksesta on tehty yhteistyössä kokeellisten ryhmien kanssa. Tietokonesimulaatiot liittävät teorian ja kokeet toisiinsa ja auttavat kokeellisten mittausten tulkinnassa. Työssä on käytetty tiukan sidoksen mallia, eksaktia diagonalisointia ja tiheysfunktionaaliteoriaa, joista kirjoittaja on toteuttanut kaksi ensimmäiseksi mainittua. Eksaktia diagonalisointia on sovellettu muun muassa kaksiulotteisten kvanttipisteiden korrelaatioenergian sekä vaihto- ja korrelaatiofunktionaalien vertailukohtana, kolmiulotteisten kvanttipisteiden elektroni-positroni-annihilaation mallinnukseen, sekä äärellisten grafeeninauhojen monen kappaleen ominaisuuksien laskemiseen. Tutkimus paljastaa tietoa grafeenin elektronirakenteesta ja magneettisista ominaisuuksista. Tiheysfunktionaaliteoriaa soveltamalla on laskettu erilaisten pii- ja pii-typpi -epäpuhtauksien muodostumisenergioita, jotta matalaenergiset rakenteet voidaan tunnistaa. Tiukan sidoksen malliin sovittamalla voidaan määrittää kuljetusominaisuuksille tunnusomaiset piirteet todenmukaisissa epäjärjestyneissä systeemeissä. Tämän lisäksi magneettisten vetyatomien muodostamien epäpuhtauksien on osoitettu sirottavan elektronin spiniä voimakkaasti, erityisesti jos epäpuhtaustilojen spinit osoittavat eri suuntiin. Tunnelointimikroskoopilla mitattiin hyvin pieniä energia-aukkoja ohuille grafeeninauhoille, ja mittauksia mallintavat laskut olivat sopusoinnussa mittaustulosten kanssa. Grafeenin ja boorinitridin rajapintojen tarkka atomirakenne määritettiin simulaatioiden avulla, ja rajapinnoille näytettiin muodostuvan samankaltaisia reunatiloja kuin grafeenissakin. Työn teoreettiset ja laskennalliset tulokset edistävät grafeeniin pohjautuvia sovelluksia.
Description
Supervising professor
Nieminen, Risto, Distinguished Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
Thesis advisor
Harju, Ari, Adjunct Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
Keywords
graphene, impurity, edge, ribbon, exact diagonalization, density functional theory, grafeeni, epäpuhtaus, reuna, nauha, eksakti diagonalisointi, tiheysfunktionaaliteoria
Other note
Parts
  • [Publication 1]: I. Makkonen, M. M. Ervasti, T. Siro, A. Harju. Enhancement models of momentum densities of annihilating electron-positron pairs: The many-body picture of natural geminals. Physical Review B: Rapid Communications, 89, 041105(R), 2014.
    DOI: 10.1103/PhysRevB.89.041105 View at publisher
  • [Publication 2]: A. Odriazola, M. M. Ervasti, I. Makkonen, A. Delgado, A. Gonzalez, E. Rasanen, A. Harju. Scaling in the correlation energies of two-dimensional artificial atoms. Journal of Physics: Condensed Matter, 25, 50, 2013.
    DOI: 10.1088/0953-8984/25/50/505504 View at publisher
  • [Publication 3]: I. Makkonen, M. M. Ervasti, V. J. Kauppila, A. Harju. Exchange-correlation potentials for inhomogeneous electron systems in two dimensions from exact diagonalization: Comparison with the localspin- density approximation. Physical Review B, 85, 205140, 2012.
    DOI: 10.1103/PhysRevB.85.205140 View at publisher
  • [Publication 4]: M. M. Ervasti, Z. Fan, A. Uppstu, A. V. Krasheninnikov, A. Harju. Silicon and silicon-nitrogen impurities in graphene: Structure, energetics, and effects on electronic transport. Physical Review B, 92, 235412, 2015.
    DOI: 10.1103/PhysRevB.92.235412 View at publisher
  • [Publication 5]: M. R. Thomsen, M. M. Ervasti, A. Harju, T. G. Pedersen. Spin relaxation in hydrogenated graphene. Physical Review B, 92, 195408, 2015.
    DOI: 10.1103/PhysRevB.92.195408 View at publisher
  • [Publication 6]: A. Kimouche, M. M. Ervasti, R. Drost, S. Halonen, A. Harju, P. M. Joensuu, J. Sainio, P. Liljeroth. Ultra-narrow metallic armchair graphene nanoribbons. Nature Communications, 6, 10177, 2015.
    DOI: 10.1038/ncomms10177. View at publisher
  • [Publication 7]: M. Ijas, M. M. Ervasti, A. Uppstu, P. Liljeroth, J. van der Lit, I. Swart, A. Harju. Electronic states in finite graphene nanoribbons: Effect of charging and defects. Physical Review B, 88, 075429, 2013.
    DOI: 10.1103/PhysRevB.88.075429 View at publisher
  • [Publication 8]: R. Drost, S. Kezilebieke, M. M. Ervasti, S. K. Hamalainen, F. Schulz, A. Harju, P. Liljeroth. Synthesis of Extended Atomically Perfect Zigzag Graphene - Boron Nitride Interfaces. Scientific Reports, 5, 16741, 2015.
    DOI: 10.1038/srep16741 View at publisher
  • [Publication 9]: R. Drost, A. Uppstu, F. Schulz, S. K. Hamalainen, M. M. Ervasti, A. Harju, P. Liljeroth. Electronic States at the Graphene–Hexagonal Boron Nitride Zigzag Interface. Nano Letters, 14 (9), 5128–5132, 2014.
    DOI: 10.1021/nl501895h View at publisher
Citation