杂质工程二维石墨烯半导体的电子和光学性质调控

最近实验观察到一种由具有六方对称性的C$_{60}$巴基球单层组成的新型材料，命名为石墨烯。在本研究中，我们利用自旋依赖密度泛函理论（spin-DFT）对纯净和杂质工程化的单层石墨烯的电子和光学性质进行了全面的从头算理论分析。我们的发现表明，石墨烯是一种直接带隙半导体，在$\Gamma$点带隙约为1.5 eV，与实验数据吻合良好。值得注意的是，我们证明通过向石墨烯添加杂质，特别是替代氮、替代硼或吸附氢，会导致自旋依赖的深施主和深受主能级的形成，从而产生多种半半导体。所有杂质均表现出约$\mu_B$每杂质的磁矩。这种杂质工程能够调控石墨烯中自旋极化激子性质，自旋依赖带隙能量范围从0.43 eV（$\lambda \sim$ 2.9 $\mu$m）到1.5 eV（$\lambda \sim$ 820 nm），覆盖近红外（NIR）和短波红外（SWIR）波段。我们的结果表明，纯净和杂质工程化的石墨烯在开发基于碳的二维半导体自旋电子和光自旋电子器件方面具有巨大潜力。