石墨烯与铁电材料衬底之间界面效应的第一性原理研究

Graphene draws considerable attention since 2004 because of its novel properties, such as linear energy dispersion around Dirac points, very high electron mobility,etc. Recently, researchers pay more attention to the functional design of graphene, and one of the most important motivations is to tune the density of the carriers in graphene. There are two advantages to put graphene on ferroelectric substrate: on the one hand, high dielectric constant of ferroelectric substrate allows high density of carriers in graphene; on the other hand, the current in graphene that on different ferroelectric substrates has hysteresis or anti-hysteresis response to an electric field, which could be used to design low .voltage, ultrafast non-volatile memory. However, up to now, we know little about the interface effect of graphene on ferroelectric substrate, and the origin of anti-hysteresis is controversial, which restricts the experiment development. We will carry out first principles calculations that focus on the interface effect of graphene on ferroelectric substrate to find out the physical mechanism of anti-hysteresis. Our research will not only make us understand the definite interface interaction of graphene on ferroelectric substrate, but also offer guidance to the .experiment and industry.

石墨烯因为具有特殊的电子性质，如狄拉克点附近能谱的线性色散关系、很高的电子迁移率等，自2004 年发现以来受到广泛关注。近年来研究者的注意力开始转移到怎样去开发利用石墨烯，其中一个重要方向就是调控石墨烯中的载流子浓度。把单层或多层石墨烯放在铁电材料衬底上做成场效应管，一方面可以利用衬底材料的高介电常数得到较高载流子浓度，另一方面不同衬底材料表面的石墨烯中载流子浓度随门电压的变化会产生电滞或反滞（anti-hysteresis）现象，可用来设计非易失性存储器，具有能耗低，存取速度快等优点。但是到目前为止，对石墨烯和铁电材料之间界面效应的理解并不全面，对反滞现象的解释也存在争议，制约着实验进一步发展。我们从第一性原理计算出发，研究石墨烯与铁电材料衬底之间的界面接触问题，探讨反滞现象的产生机理。我们的研究不仅可以加深对石墨烯与铁电材料衬底之间的界面相互作用的理解，同时对实验和生产具有指导意义。

铁电材料具有很高的介电常数，同时还有自发的极化电场，如果作为衬底和石墨烯结合，既能控制载流子浓度又能调控能隙，在信息存储领域有很好的应用前景。但是石墨烯和铁电材料衬底之间的界面相互作用的研究非常滞后，很多实验现象有待合理解释。本项目利用第一性原理方法研究了铁电材料衬底与石墨烯之间的界面相互作用及吸附物的影响，解释了铁电材料衬底和石墨烯之间出现电滞或反滞现象的机理，为进一步的实验研究指明了方向。. 目前已经完成的主要工作有两方面：第一，我们采用LiNbO3作为衬底材料，研究了其与石墨烯之间界面效应，发现异质结的性质与界面有关：对于理想解离界面，石墨烯受衬底电场调控，将会出现正常电滞现象；而在氢吸附的界面，吸附的氢原子上的捕获电荷能屏蔽衬底电场，捕获电荷量反比与沉底电场，可以形成反滞现象。第二，我们对BiCrO3的结构和铁电性做了详细研究，证明了实验上观察到的第三种结构应该是菱方R3c相，具有铁电极化，实验报道的自发极化也应该来源于该相结构的贡献。我们也同时对BiCrO3的基态结构以及不同结构的磁性质和铁电相的极化大小做了计算。我们的计算为进一步研究铁电材料和石墨烯之间的界面相互作用奠定了基础。受本项目支持，完成SCI论文两篇，还有一篇论文正在整理之中。