Static charging of graphene and graphite slabs
采用第一性原理计算研究了石墨烯及其薄片的静电荷效应。虽然带负电荷的石墨烯的费米能级上升，然后被抛物线状的、几乎自由电子状的带快速钉扎，但是它通过从石墨烯移除电子而容易地向下移动。过剩电荷主要聚集在石墨板的两个表面。更值得注意的是，库仑排斥使石墨烯层从带正电的石墨板的两个表面剥离。吸附到石墨烯薄片上的特定吸附原子的能级结构、结合能和自旋极化可以通过充电来监测。
2011-03-19 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other
Electrochemical Degradation of Per- and Polyfluoroalkyl Substances (PFAS) using Low-cost Graphene Sponge Electrodes
制备了硼掺杂的石墨烯海绵阳极，并将其应用于C4-C8全氟和多氟烷基化合物（PFASs）的电化学氧化。在低电导率电解质（1 mS cm-1）和单程流通模式下获得的去除效率在230 A m-2的阳极电流密度下在16.7-67%的范围内，并且能量消耗为10.1 ± 0.7 kWh m-3。它们的去除归因于电吸附（7.4-35%）和电氧化（9.3- 32%）。C4-C8全氟烷基磺酸盐和酸的去磷效率为8-24%，这是由于一部分PFAS仅在阳极表面被电吸附。然而，相对于电氧化部分，氟化物的回收率为74-87%，这表明一旦PFAS的降解开始，C-F键断裂是非常有效的。相对于电氧化级分，全氟烷基磺酸盐获得的接近化学计量的硫酸盐回收率（91-98%）证明了磺酸盐头基的有效裂解。可吸附有机氟化物（AOF）分析表明，剩余的部分脱氟副产物在电流施加期间在石墨烯海绵阳极处电吸附，并且在电流关闭后释放到溶液中。该概念验证研究表明，所开发的石墨烯海绵阳极能够裂解C-F键并使PFAS脱附。考虑到石墨烯海绵阳极对氯化物是电化学惰性的，并且即使在微咸溶液中也不形成任何氯酸盐和高氯酸盐，所开发的材料可以解锁PFAS络合物废水和盐水的电化学降解。
2022-02-09 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Graphene-based sponges for electrochemical degradation of persistent organic contaminants
石墨烯为基础的海绵掺杂原子氮和硼被应用于电化学降解的持久性有机污染物在一个通过，流通模式，并在低电导率的支持电解质。掺杂B的阳极和掺杂N的阴极能够在173 A/m2的几何阳极电流密度下去除>90%的污染物。污染物的电化学降解是通过直接电子转移、阳极形成的O3和阴极产生的H2 O2分解形成的OH自由基实现的。所鉴定的碘普罗胺的转化产物表明，在芳环处的所有三个C-I键的阳极裂解优先于在烷基侧链处的裂解，表明与石墨烯表面的π-π相互作用的决定性作用。在20 mM氯化钠（NaCl）的存在下，氯产生的电流效率为<0.04%，并且没有氯酸盐和高氯酸盐形成，表明石墨烯基海绵阳极对氯化物的电催化活性非常低。石墨烯基海绵是使用低成本的自下而上的方法生产的，该方法允许容易地引入掺杂剂和还原的氧化石墨烯涂层的官能化，从而定制用于去除特定污染物的材料。
2021-08-03 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Reducing Graphene Device Variability with Yttrium Sacrificial Layers
自十多年前分离出这种材料以来，石墨烯技术已经取得了长足的进步。然而，尽管生长质量和众多“英雄”设备有所改善，但均匀性的挑战仍然存在，限制了石墨烯技术的大规模发展。在这里，我们通过研究接触金属（有和没有Ti层），抗蚀剂和钇（Y）牺牲层在数百个设备的制造过程中的影响，调查和减少石墨烯晶体管的可变性。我们发现，与光学光刻，残留的抗蚀剂和工艺污染是不可避免的，最终限制设备的性能和产量。然而，使用Y牺牲层将石墨烯与加工条件隔离提高了产率（从73%提高到97%）、平均器件性能（迁移率提高了三倍，接触电阻降低了58%）和器件到器件的可变性（狄拉克电压的标准偏差降低了20%）。与其他牺牲层技术相比，用HCl去除Y牺牲层不会损害周围材料，简化了大规模石墨烯制造。
2017-05-23 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Graphene on the carbon face of SiC: electronic structure modification by hydrogen intercalation
已经表明，SiC（0001）（2{ \times }2）C表面上的第一C层已经表现出石墨烯样的电子结构，在狄拉克点附近具有线性π带。实际上，由于吸附原子/再平衡电荷转移机制，具有Si吸附原子和C再平衡结构的（2{ \times }2）C重构有效地钝化SiC（0001）表面。在这里，我们使用密度泛函理论计算来研究界面改性对石墨烯层的影响。我们考虑的修改是从扫描隧道显微镜观察到的原生界面缺陷的启发。每个4 { \times } 4 SiC单元（5 { \times } 5石墨烯单元）引入一个H原子，以使restatom悬挂键饱和并阻碍吸附原子/restatom电荷转移。因此，石墨烯层掺杂有来自衬底的电子，并且与吸附原子状态的相互作用略微增加。因此，原生界面缺陷可能在C终止的SiC衬底上的掺杂机制中发挥重要作用。我们还得出结论，一个有效的钝化的C面的SiC的H需要一个完整的去除重建。否则，与Si封端的SiC衬底不同，界面处H的存在将增加石墨烯/衬底相互作用。
2011-02-18 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Manganese oxide-functionalized graphene sponge electrodes for electrochemical chlorine-free disinfection of tap water
本研究提出氧化锰功能化石墨烯海绵电极，通过氨基掺杂增强稳定性与催化性能，在低能耗下实现对自来水中大肠杆菌的高效无氯电化学消毒，并揭示储存温度与赝电容的协同灭活作用。
2024-10-02 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Graphene Heat Spreaders for Thermal Management of Nanoelectronic Circuits
石墨烯由于其极高的导热性最近被提议作为用于散热的材料。我们模拟了有和没有石墨烯横向散热器的绝缘体上硅电路中的热传播。采用有限元法得到了热传播方程的数值解。分析的重点是原型硅绝缘体电路与金属氧化物半导体场效应晶体管。发现石墨烯或具有适当散热器的少层石墨烯层的结合可以显著降低局部热点的温度。晶体管沟道中的最高温度作为石墨烯的热导率和少层石墨烯的厚度的函数进行了研究。所建立的模型和得到的结果对石墨烯散热器和互连线的设计具有重要意义。
2009-10-10 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other
Cleaning graphene : a first quantum/classical molecular dynamics approach
石墨烯的优异性能引起了凝聚态领域的巨大兴趣，并在国际范围内获得了前所未有的资金，希望能得到应用开发。最近，已经有几个报告的聚合物抗蚀剂的不完全去除用于转移生长的石墨烯从一个基板到另一个，导致改变的石墨烯传输性能。找到一种大规模的解决方案来清洁石墨烯吸附的残留物是非常可取的，一个有希望的可能性将是使用氢等离子体。本着这种精神，我们在这里耦合量子和经典的分子动力学模拟，探索原子氢选择性蚀刻一个简单的残留物，一个CH 3基团，而不可逆地破坏石墨烯所需的动能范围。对于在2-15 eV范围内的入射能量，可以通过形成挥发性CH 4化合物来蚀刻CH 3自由基，该挥发性CH 4化合物以CH 4形式或分解成CH 3 +H片段离开表面，而没有进一步的缺陷形成。在此能量下，H原子在石墨烯上的吸附是可能的，并且需要进一步退火以恢复原始石墨烯。
2015-11-23 cond-mat.mtrl-sci
Energy gap opening in submonolayer lithium on graphene: Local density functional and tight-binding calculations
碱金属亚单层在石墨烯上的吸附以相称的$(\sqrt{3}\times\sqrt{3})R30^\circ$排列占据蜂窝晶格的每三个六边形，在石墨烯的光谱中诱导能隙。为了解释这种带隙，我们提出了\textit{ab initio}密度泛函理论计算的电子能带结构的C $_6$锂。检查的晶格几何的复合系统显示的可能性，最近的邻居跳跃振幅有交替的值构造在一个凯库勒型结构。纹理紧束缚模型的能带结构的计算和再现预期的带隙以及其他特征的退化去除锂吸附引起的石墨烯的光谱。更一般地，如果$x$是3的倍数，我们还推导出石墨烯化合物C $_x$ M上的周期性金属中的能隙打开的可能性。
2009-01-27 cond-mat.mtrl-sci
Reduction of a Single Layer Graphene Oxide Film on Pt(111)
氧化石墨烯（GO）是一种化学改性石墨烯，在世界范围内得到了广泛的研究。在溶液中化学产生的GO的单层片可以沉积在各种基底上。我们已经证明，使用具有大晶粒尺寸的石墨粉末能够容易且可再现地制备大于100微米的单层GO膜。如果可以完全还原GO膜，则可以在没有机械剥离的情况下获得石墨烯。然而，迄今为止所采用的还原方法不足以去除氧或恢复石墨烯晶格中的长程序。在本工作中，我们在超高真空中对放置在Pt（111）上的GO片进行了退火。退火样品的STM观察表明，蜂窝状晶格与长程有序的莫尔结构一起出现。XPS结果表明从GO片完全除去氧。这些结果将为合成高质量石墨烯薄膜开辟一条新的途径，取代传统的CVD方法。
2011-01-17 cond-mat.mtrl-sci
Atomic and electronic structure of a copper/graphene interface as prepared and 1.5 years after
我们报告了在不同条件（环境和低湿度）下1.5年后在高质量铜表面和相同材料上制备的石墨烯的X射线光谱和拉曼测量结果。将所得结果与密度泛函理论计算的石墨烯/Cu界面中各种结构缺陷的形成能和电子结构进行了比较。为了评价碳覆盖的稳定性，我们提出了一个两步模型。第一步是石墨烯的氧化，第二步是石墨烯的穿孔，去除作为二氧化碳分子一部分的碳原子。建模和实验测量的结果提供了证据，证明在高质量铜衬底上生长的石墨烯随着时间的推移（1.5年）变得坚固和稳定。然而，该界面的稳定性取决于石墨烯的质量以及石墨烯和衬底中的原生缺陷的数量。还讨论了金属衬底上的缺陷对石墨烯的稳定性和电子结构的影响。
2017-07-31 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Reassessing Graphene Absorption and Emission Spectroscopy
我们提出了一个新的范例，了解光吸收和热电子动力学实验在石墨烯。我们的分析重点是分配适当的重要性声子辅助间接过程和漂白的直接过程。我们显示了在紫外区的过量吸收的间接过程图。实验被认为表明电子和空穴的超快弛豫，在5-10 fs下从极非热分布达到热分布，而不是通过间接跃迁产生的新生电子和空穴分布来解释。这些不需要弛豫或自组织能量去除，以符合所观察到的发射光谱和快速脉冲吸收光谱。脉冲吸收后的快速发射主要由声子辅助过程控制，声子辅助过程的数量远远超过直接过程，并且总是可用的，随时将任何电子与任何空穴连接起来。计算，包括明确计算间接过程的大小，支持这些观点。
2017-04-25 cond-mat.mtrl-sci
Raman spectra and electron-phonon coupling in disordered graphene with gate-tunable doping
我们报告了石墨烯场效应晶体管（GFET）的拉曼光谱研究，通过暴露于电子束照射，在石墨烯中引入了受控量的缺陷。拉曼光谱在T = 8 K时在背栅电压（Vg）的范围内对于各种照射剂量（Re）进行。我们研究的拉曼光谱中的影响，由于Vg诱导的掺杂和人为创造的障碍，在不同的Re。在中度无序（照射）的情况下，相对于石墨烯载流子密度（nFE）的拉曼G峰在电荷中性点（CNP）附近表现出峰频率的最小值和峰宽度的最大值。这些趋势类似于在原始石墨烯上的先前工作中所看到的那些，并且已经归因于随着费米能级远离CNP移动，电子-声子耦合强度（D）的降低和Kohn异常的去除。我们还观察到在I2 D/IG中的最大值和在CNP附近的ID/IG中的弱最大值。所有观察到的拉曼参数对nFE的依赖性减弱在较强的无序（较高的Re），这意味着无序导致D的减少以及。我们的研究结果对于理解掺杂和无序石墨烯的拉曼光谱和电子-声子物理是有价值的。
2014-09-08 cond-mat.mtrl-sci
Transformation of a graphene nanoribbon into a hybrid 1D nanoobject with alternating double chains and polycyclic regions
分子动力学模拟表明，在高分辨透射电子显微镜中，具有一个和三个六边形宽度的交替区域的石墨烯纳米粒子可以在电子辐照下转变为具有交替的双链和多环区域的混合一维纳米物体。提出了一种利用Ullmann偶联和脱氢反应合成这种纳米颗粒的方案。反应REBO-1990 EVC电位适用于碳氢系统的模拟，并与CompuTEM算法结合使用，用于模拟电子辐照效应。发现新的混合1D纳米物体的形成的原子机制如下。首先，氢通过电子碰撞被去除。然后碳原子之间的键的自发断裂导致石墨烯纳米颗粒的狭窄区域分解成双链。同时发生多环区域的热激活生长。密度泛函理论计算给出了与这种机制相一致的多环区域生长路径上的势垒。新的一维纳米物体的电子性质被证明是强烈的边缘磁性的影响，使这种纳米结构有前途的纳米电子和自旋电子学应用。这里提出的合成1D纳米物体的方法可以被认为是生产纳米物体和大分子的一般三阶段策略的一个例子。1)通过传统的化学方法合成前体，2）将前体置于HRTEM中，电子能量仅足以去除氢原子，3）作为氢去除的结果，前体变得不稳定或亚稳定并转化为新的纳米物体或大分子。
2021-01-13 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Detailed thermal reduction analyses of Graphene Oxide via in-situ TEM/EELS studies
我们报告了一个深入的研究还原氧化石墨烯（GO）的原位热透射电子显微镜（TEM）分析。原位加热高分辨率TEM（HRTEM）成像和电子能量损失谱（EELS）测量相结合，以确定不同氧官能团的转化，物理吸附和化学吸附水的解吸以及石墨化作为温度的函数，范围从70到1200°C。根据不同的化学和物理参数，已被监测的水和OFGs的一般去除模型。所有这些独特的信息提供了GO在扩展温度范围内的热行为的详细路线图。这不仅对理解GO的热还原过程感兴趣，而且对GO在暴露于热效应时的应用中的响应也至关重要。
2021-04-14 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other
Seed Layer Engineering for Crack-free Sol-gel Alumina Deposition on GFETs
研究了一种低成本、低热预算的溶胶-凝胶氧化铝膜作为GFET的电介质/钝化层。热退火后，在石墨烯通道正上方的溶胶-凝胶氧化铝层中观察到裂纹。裂纹的可能机制可以是由于（i）石墨烯和相邻层之间的热膨胀系数（TEC）差异和（ii）在溶剂去除过程中产生的收缩应力而导致的石墨烯横向恢复运动。基于裂纹形成现象，进行了不同退火方案（低热预算DUV退火）和种子层工程（厚度和不同沉积方案）的组合。最后，提出了一种新的两步种子层沉积方法与DUV退火，并证明成功地解决了裂纹问题，也能够保留狄拉克点的电特性。
2022-10-11 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Ferromagnetism in graphene traced to an antisymmetric orbital combination of involved electronic states
我们揭示了在含有空位的石墨烯中，$sp$电子引起的铁磁性的起源可以追溯到电子部分填充$sp^{2*}$ -反键态和$p_z^*$ -非键态，这些电子是由空位引起的，出现在费米能级附近.由于这两个态的空间波函数都是由反对称组态的原子轨道组成的，根据电子交换反对称原理，它们的自旋波函数应该是对称的，导致电子部分填充这些自旋极化态。由于该$p_z^*$态不是源自原子之间的相互作用，而是源自由于少数子晶格上的$p_z$轨道的去除而导致的未配对的$p_z$轨道，因此$p_z^*$态被约束，分布在多数子晶格的原子上，并且从空位逐渐衰减为$\sim$ $1/r$。根据这些特征，我们得出结论：$p_z^*$态在含空位石墨烯的磁有序中起着关键作用。如果石墨烯中的空位浓度大到足以导致衰变长度区域重叠，则在重叠区域中的少数子晶格原子上尽可能少地约束$p_z^*$轨道分量导致空位诱导的$p_z^*$态是相干的。重叠区的相干过程导致所有相关区域的波函数反对称，从而根据电子交换反对称原理产生铁磁性。这种与$sp$ -电子磁性和磁有序的起源有关的不寻常机制以前从未被报道过，并且与常规机制明显不同。
2018-08-13 cond-mat.mtrl-sci
Atomic and electronic structure of graphene oxide/Cu interface
采用X射线光电子能谱（XPS）、价带谱、光受激电子发射（OSEE）和基于密度泛函理论的模拟方法研究了电泳沉积法（EPD）在铜表面制备氧化石墨烯（GO）的过程。XPS谱的比较EPD制备的GO/Cu复合材料与那些制备的GO，强烈还原的GO，纯铜和氧化的铜证明部分（直到C/O比约2）从GO的含氧官能团的去除，同时在金属基底上的氧化铜类层的形成。OSEE测量证明了系统中存在氧化铜相，同时不存在具有相应能隙的GO的贡献。所有的测量都证明了对于铜表面的不同GO覆盖厚度的结果的相似性。理论模拟表明，只有当C/O比小于2时，含氧官能团才能从GO迁移到铜衬底上，并且在GO层中的能隙消失的同时，衬底和GO之间形成Cu-O-C键。根据实验测量和理论计算结果，提出了Cu/GO界面的原子结构模型为Cu/CuO/GO，其中无带隙GO中C/O比约为2。
2018-09-03 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Repeated Growth and Hot Delamination of Single-Crystal Graphene: A Two-Kilometer Process-Design Assessment with hBN as a Separate Case
Center for Multidimensional Carbon Materials (CMCM), Institute for Basic Science (IBS)（多维碳材料中心，基础科学研究院）；Department of Chemistry, UNIST（蔚山科学技术学院化学系）；Department of Materials Science and Engineering, UNIST（蔚山科学技术学院材料科学与工程系）；School of Energy and Chemical Engineering, UNIST（蔚山科学技术学院能源与化学工程系）
本文探讨在可重复单晶金属表面反复生长、热剥离再生长原子级薄膜的可行性，提出两项核心实验验证方向，为石墨烯及hBN的规模化制造提供工艺设计指导。
2026-08-28 cond-mat.mtrl-sci
