МОДИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ СВОЙСТВ ГРАФЕНА, ДОПИРОВАННОГО АТОМАМИ АЗОТА

Уникальные физические свойства графена (высокая подвижность электронов, прочность, эластичность и теплопроводность) делают его идеальным объектом для изучения новых физических явлений. Графен рассматривается как перспективный материал, который может быть положен в основу наноэлектроники. Но при этом есть существенное ограничение его широкого использования – он обладает нулевой шириной запрещенной зоны. Исследование способов модификации его электронных свойств, в том числе с применением моделирования, является актуальным, так как это может позволить расширить сферу применения графена в электронике, сенсорике, энергетике и других областях, позволяя создавать более эффективные, быстрые и энергоэффективные устройства. Представлены результаты исследования электронных свойств графена, допированного атомами азота, с использованием метода компьютерного моделирования. Методология исследования базируется на первопринципных вычислениях в рамках метода функционала плотности (DFT) с применением программного пакета VASP. Моделирование проводили для гексагональной суперячейки 4 × 4 с варьируемой концентрацией атомов азота от 3,125 до 18,750 %. Установлено, что допирование графена атомами азота приводит к существенным изменениям его электронных свойств. Показано формирование запрещенной зоны и смещение уровня Ферми выше точки Дирака, что трансформирует графен в полупроводник n-типа. Выявлена немонотонная зависимость ширины запрещенной зоны от концентрации и расположения атомов азота в решетке. Полученные результаты демонстрируют возможность целенаправленной модификации электронных свойств графена путем контролируемого допирования азотом, что открывает новые перспективы для его практического применения в наноэлектронике.

1. Novoselov K.S., Geim A.K., Morozov S.V., Jiang D., Zhang Y., Dubonos S.V., Grigorieva I.V., Firsov A.A. Electric field effect in atomically thin carbon films. Science. 2004;306(5696):666–669. https://doi.org/10.1126/science.1102896

2. Hwang E. H., Adam S., Sarma S.D. Carrier transport in 2D graphene layers. Physical Review Letters. 2007;98:186806. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.98.186806

3. Chen B., Huang H., Ma X., Huang L., Zhang Z., Peng L.-M. How good can CVD-grown monolayer graphene be? Nanoscale. 2014;6:15255–15261. https://doi.org/10.1039/C4NR05664G

4. Chen J.-H., Jang C., Xiao S., Ishigami M., Fuhrer M.S. Intrinsic and extrinsic performance limits of graphene devices on SiO2. Nature Nanotechnology. 2008;3;206–209.

5. https://doi.org/10.1038/nnano.2008.58

6. Bolotin K.I., Sikes K.J., Jiang Z., Klima M., Fudenberg G., Hone J., Kim P., Stormer H.L. Ultrahigh electron mobility in suspended graphene. Solid State Communications. 2008;146:351–355. https://doi.org/10.1016/j.ssc.2008.02.024

7. Lee C., Wei X., Kysar J.W., Hone J. Measurement of the elastic properties and intrinsic strength of monolayer graphene. Science. 2008;321:385–388.

8. https://doi.org/10.1126/science.1157996

9. Novoselov K.S., Falko V., Colombo L., Gellert P.R., Schwab M.G., Kim K.A. A roadmap for graphene. Nature. 2012;490:192–200. https://doi.org/10.1038/nature11458

10. Ghosh S., Calizo I., Teweldebrhan D., Pokatilov E.P., Nika D.L., Balandin A.A., Bao W., Miao F., Lau C.N. Extremely high thermal conductivity of graphene: prospects for thermal management applications in nanoelectronic circuits. Applied Physics Letters. 2008;92:151911.

11. https://doi.org/10.1063/1.2907977

12. Balandin A.A., Ghosh S., Bao W., Calizo I., Teweldebrhan D., Miao F., Lau C.N. Superior thermal conductivity of single-layer graphene. Nano Letters. 2008;8(3):902–907.

13. https://doi.org/10.1021/nl0731872

14. Nair R.R., Blake P., Grigorenko A.N., Novoselov K.S., Booth T.J., Stauber T., Peres N.M.R., Geim A.K. Fine structure constant defines visual transparency of graphene. Science. 2008;320(5881):1308. https://doi.org/10.1126/science.1156965

15. Hafner J. Ab-initio simulations of materials using VASP: Density-functional theory and beyond. Journal of Computational Chemistry. 2008;29(13):2044–2078. https://doi.org/10.1002/jcc.21057

16. Hafner J. Materials simulations using VASP – a quantum perspective to materials science. Computer Physics Communications. 2007;177:6–13. doi:10.1016/j.cpc.2007.02.045

17. Sun G., Kurti J., Rajczy P., Kertesz M., Hafner J., Kresse G. Performance of the Vienna ab initio simulation package (VASP) in chemical applications. Journal of Molecular Structure: THEOCHEM. 2003;624(1–3):37–45.

18. https://doi.org/10.1016/S0166-1280(02)00733-9

19. Wang V., Xu N., Liu J.-C., Tang G., Geng W.-T. VASPKIT: A user-friendly interface facilitating high-throughput computing and analysis using VASP code. Computer Physics Communications. 2021;267:108033.

20. https://doi.org/10.1016/j.cpc.2021.108033

21. Blochl P.E., Forst C.J., Schimpl J. Projector augmented wave method: ab-initio molecular dynamics with full wave functions. Bulletin of Materials Science. 2003;26:33–41.

22. https://doi.org/10.1007/BF02712785

23. Jolleta F., Torrenta M., Holzwarth N. Generation of Projector Augmented-Wave atomic data: A 71 element validated table in the XML format. Computer Physics Communications. 2014;185:1246–1254.

24. http://dx.doi.org/10.1016/j.cpc.2013.12.023

25. Henderson T.M., Janesko B.G., Scuseria G.E. Generalized gradient approximation model exchange holes for range-separated hybrids. The Journal of Chemical Physics. 2008;128(19):194105. http://dx.doi.org/10.1063/1.2921797

26. MODELVIEW graphic software. – URL: http://www.modelview.fr/en.html (дата обращения: 23.09.2025)

27. Elias D.C., Nair R.R., Mohiuddin T.M.G., Morozov S.V., Blake P. Control of graphene’s properties by reversible hydrogenation: evidence for graphane. Science. 2009;323:610–613. http://dx.doi.org/10.1126/science.1167130

28. Rani P., Jindal V.K. Designing band gap of graphene by B and N dopant atoms. RSC Advances. 2013;3:802–812.

29. http://dx.doi.org/10.1039/C2RA22664B