ग्राफीन में नाइट्रोजन दोषों का निर्माण, स्थिरता और इलेक्ट्रॉनिक गुण

हम density-functional theory के ढांचे में फर्स्ट-प्रिंसिपल्स इलेक्ट्रॉनिक-संरचना अध्ययन का उपयोग करके ग्राफीन शीट में नाइट्रोजन-डोपिंग प्रभावों की जांच करते हैं। ग्राफीन में नाइट्रोजन अशुद्धियों के संभावित विन्यासों के रूप में, एक मोनोवैकेंसी और एक डाइवैकेंसी के चारों ओर प्रतिस्थापी नाइट्रोजन और पिरिडीन-प्रकार के दोषों पर विचार किया जाता है, और उनकी ऊर्जािकी तथा इलेक्ट्रॉनिक संरचनाओं पर चर्चा की जाती है। निर्माण-ऊर्जा की गणनाओं से पता चलता है कि ग्राफीन शीट में नाइट्रोजन परमाणु का प्रतिस्थापी डोपिंग संभावित नाइट्रोजन-डोपिंग विन्यासों में ऊर्जा के दृष्टिकोण से सबसे अनुकूल है। इसके अलावा, पिरिडीन-प्रकार के दोषों की कुल ऊर्जा की ग्राफीन में प्रतिस्थापी नाइट्रोजन दोष के साथ तुलना करने पर, यह पता चलता है कि वैकेंसी की उपस्थिति में पिरिडीन-प्रकार के दोषों का निर्माण प्रतिस्थापी नाइट्रोजन दोष के निर्माण की तुलना में ऊर्जा के दृष्टिकोण से अनुकूल हो जाता है। इलेक्ट्रॉनिक-बैंड-संरचना गणनाओं के परिणामों से, यह पाया गया है कि नाइट्रोजन-अशुद्धि अवस्थाएं फर्मी स्तर के चारों ओर या तो एक्सेप्टर-जैसी या डोनर-जैसी अवस्थाओं के रूप में दिखाई देती हैं, जो ग्राफीन में नाइट्रोजन अशुद्धियों की परमाणु ज्यामिति पर निर्भर करती हैं। हम नाइट्रोजन अशुद्धियों की भविष्य में प्रायोगिक पहचान के लिए अशुद्धि-प्रेरित इलेक्ट्रॉनिक अवस्थाओं से संबंधित scanning tunneling microscopy (STM) छवियों की भी गणना करते हैं। यहाँ विचार किए गए तीन N-doping विन्यासों की सिम्युलेटेड STM छवियां नाइट्रोजन अशुद्धि के चारों ओर स्थानीय अवस्थाओं के घनत्व पर दृढ़ता से निर्भर पाई जाती हैं, और इसलिए डोपिंग विन्यासों को एक-दूसरे से पहचाना जा सकना चाहिए। N-doped और अनडोप्ड ग्राफीन के बीच इलेक्ट्रॉनिक संरचनाओं और STM कोरुगेशन्स की समानताओं और अंतरों पर भी चर्चा की गई है।