Wechselwirkungen zwischen Stickstoffdotierungen und natürlichen Punktdefekten in Graphen

Um die Wechselwirkung zwischen Stickstoffdotierungen und natürlichen Punktdefekten in Graphen zu verstehen, haben wir die energetische Stabilität von N-dotiertem Graphen mit Vakanz und Stone-Wales (SW)-Defekt durch Berechnungen der Dichtefunktionaltheorie untersucht. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die N-Substitution energetisch bevorzugt an den Kohlenstoffatomen in der Nähe der Defekte erfolgt, insbesondere an den Stellen mit größerer Bindungsverkürzung, was darauf hinweist, dass die defektinduzierte Deformation eine wichtige Rolle für die Stabilität der N-Dotierungen in defektem Graphen spielt. In Anwesenheit einer Monovakanz ist die stabilste Position für den N-Dot einen pyridinhafte Konfiguration, während für andere untersuchte Punktdefekte (SW-Defekt und Divakanz) N eine Stelle im pentagonalen Ring bevorzugt. Der Einfluss natürlicher Punktdefekte auf N-Dotierungen ist ziemlich stark: Während das N-Dotieren in fehlerfreiem Graphen endotherm ist, wird es für defekten Graphen exotherm. Unsere Ergebnisse implizieren, dass der natürliche Punktdefekt und der N-Dot sich gegenseitig anziehen, d.h. einen kooperativen Effekt haben, was bedeutet, dass substitutive N-Dotierungen die Wahrscheinlichkeit der Entstehung von Punktdefekten erhöhen würden und umgekehrt. Unsere Erkenntnisse werden durch aktuelle experimentelle Studien zum N-Dotieren von Graphen unterstützt. Darüber hinaus weisen wir auf Möglichkeiten der Aggregation mehrerer N-Dotierungen in der Nähe natürlicher Punktdefekte hin. Schließlich machen wir kurze Anmerkungen zum Einfluss der Fe-Adsorption auf die Stabilität der N-Dotierungsaggregation.