Using first-principles calculations, it is shown that the work function of graphene on copper can be adjusted by varying the concentration of intercalated alkali metals. Using density functional theory, we calculate the modulation of work function when Li, Na, or K are intercalated between graphene and a Cu(111) surface. The physical origins of the change in work function are explained in terms of phenomenological models accounting for the formation and depolarization of interfacial dipoles and the shift in the Fermi-level induced via charge transfer.
References
1.
K. S.
Novoselov
, A. K.
Geim
, S. V.
Morozov
, D.
Jiang
, Y.
Zhang
, S. V.
Dubonos
, I. V.
Grigorieva
, and A. A.
Firsov
, Science
306
, 666
(2004
).2.
K. S.
Kim
, Y.
Zhao
, H.
Jang
, S. Y.
Lee
, J. M.
Kim
, K. S.
Kim
, J.-H.
Ahn
, P.
Kim
, J.-Y.
Choi
, and B. H.
Hong
, Nature
457
, 706
(2009
).3.
K.
Novoselov
, A. K.
Geim
, S.
Morozov
, D.
Jiang
, M. K. I.
Grigorieva
, S.
Dubonos
, and A.
Firsov
, Nature
438
, 197
(2005
).4.
K. S.
Novoselov
, V.
Fal
, L.
Colombo
, P.
Gellert
, M.
Schwab
, and K.
Kim
, Nature
490
, 192
(2012
).5.
H.
Ishii
, K.
Sugiyama
, E.
Ito
, and K.
Seki
, Adv. Mater.
11
, 605
(1999
).6.
J.
Jiang
, T. D.
Krauss
, and L. E.
Brus
, J. Phys. Chem. B
104
, 11936
(2000
).7.
H.-J.
Shin
, W. M.
Choi
, D.
Choi
, G. H.
Han
, S.-M.
Yoon
, H.-K.
Park
, S.-W.
Kim
, Y. W.
Jin
, S. Y.
Lee
, J. M.
Kim
, J.-Y.
Choi
, and Y. H.
Lee
, J. Am. Chem. Soc.
132
, 15603
(2010
).8.
C.
Herring
and M. H.
Nichols
, Rev. Mod. Phys.
21
, 185
(1949
).9.
G.
Jo
, S.-I.
Na
, S.-H.
Oh
, S.
Lee
, T.-S.
Kim
, G.
Wang
, M.
Choe
, W.
Park
, J.
Yoon
, D.-Y.
Kim
, Y. H.
Kahng
, and T.
Lee
, Appl. Phys. Lett.
97
, 213301
(2010
).10.
P. A.
Cox
, The Electronic Structure and Chemistry of Solids
(Oxford University Press
, 1987
).11.
Y.
Shi
, S.-C.
Luo
, W.
Fang
, K.
Zhang
, E. M.
Ali
, F.
Boey
, J. Y.
Ying
, J.
Wang
, H.
hua Yu
, and L.-J.
Li
, Org. Electron.
9
, 859
(2008
).12.
Y.-J.
Yu
, Y.
Zhao
, S.
Ryu
, L. E.
Brus
, K. S.
Kim
, and P.
Kim
, Nano Lett.
9
, 3430
(2009
).13.
S. M.
Song
, J. H.
Bong
, and B. J.
Cho
, Appl. Phys. Lett.
104
, 083512
(2014
).14.
Y.
Shi
, K. K.
Kim
, A.
Reina
, M.
Hofmann
, L.-J.
Li
, and J.
Kong
, ACS Nano
4
, 2689
(2010
).15.
K. C.
Kwon
, K. S.
Choi
, and S. Y.
Kim
, Adv. Funct. Mater.
22
, 4724
(2012
).16.
H.
Medina
, Y.-C.
Lin
, D.
Obergfell
, and P.-W.
Chiu
, Adv. Funct. Mater.
21
, 2687
(2011
).17.
K. P.
Loh
, Q.
Bao
, P. K.
Ang
, and J.
Yang
, J. Mater. Chem.
20
, 2277
(2010
).18.
K. C.
Kwon
, K. S.
Choi
, B. J.
Kim
, J.-L.
Lee
, and S. Y.
Kim
, J. Phys. Chem. C
116
, 26586
(2012
).19.
R.
Garg
, N. K.
Dutta
, and N. R.
Choudhury
, Nanomaterials
4
, 267
(2014
).20.
E.
Sutter
, P.
Albrecht
, F. E.
Camino
, and P.
Sutter
, Carbon
48
, 4414
(2010
).21.
J.
Huang
, Z.
Xu
, and Y.
Yang
, Adv. Funct. Mater.
17
, 1966
(2007
).22.
A.
Shikin
, G.
Prudnikova
, V.
Adamchuk
, F.
Moresco
, and K.-H.
Rieder
, Phys. Rev. B
62
, 13202
(2000
).23.
A.
Varykhalov
, J.
Sánchez-Barriga
, A.
Shikin
, C.
Biswas
, E.
Vescovo
, A.
Rybkin
, D.
Marchenko
, and O.
Rader
, Phys. Rev. Lett.
101
, 157601
(2008
).24.
M.
Petrović
, I. Š.
Rakić
, S.
Runte
, C.
Busse
, J.
Sadowski
, P.
Lazić
, I.
Pletikosić
, Z.-H.
Pan
, M.
Milun
, P.
Pervan
, N.
Atodiresei
, R.
Brako
, D.
Šokčević
, T.
Valla
, T.
Michely
, and M.
Kralij
, Nat. Commun.
4
, 2772
(2013
).25.
L.
Zhang
, Y.
Ye
, D.
Cheng
, H.
Pan
, and J.
Zhu
, J. Phys. Chem. C
117
, 9259
(2013
).26.
E.
Pollak
, B.
Geng
, K.-J.
Jeon
, I. T.
Lucas
, T. J.
Richardson
, F.
Wang
, and R.
Kostecki
, Nano Lett.
10
, 3386
(2010
).27.
G.
Radhakrishnan
, J. D.
Cardema
, P. M.
Adams
, H. I.
Kim
, and B.
Foran
, J. Electrochem. Soc.
159
, A752
(2012
).28.
C.
Hwang
, S.
Shin
, S.-M.
Choi
, N.
Kim
, S.
Uhm
, H.
Kim
, C.
Hwang
, D.
Noh
, S.-H.
Jhi
, and J.
Chung
, Phys. Rev. B
79
, 115439
(2009
).29.
A.
Nagashima
, N.
Tejima
, and C.
Oshima
, Phys. Rev. B
50
, 17487
(1994
).30.
S.
Harilal
, J.
Allain
, A.
Hassanein
, M.
Hendricks
, and M.
Nieto-Perez
, Appl. Surf. Sci.
255
, 8539
(2009
).31.
F.
Valencia
, A. H.
Romero
, F.
Ancilotto
, and P. L.
Silvestrelli
, J. Phys. Chem. B
110
, 14832
(2006
).32.
W.-Q.
Deng
, X.
Xu
, and W. A.
Goddard
, Phys. Rev. Lett.
92
, 166103
(2004
).33.
G.
Wertheim
, P.
Van Attekum
, and S.
Basu
, Solid State Commun.
33
, 1127
(1980
).34.
K.
Kganyago
and P.
Ngoepe
, Phys. Rev. B
68
, 205111
(2003
).35.
M.
Caragiu
and S.
Finberg
, J. Phys.: Conden. Matter
17
, R995
(2005
).36.
M.
Trioni
, S.
Achilli
, and E.
Chulkov
, Prog. Surf. Sci.
88
, 160
(2013
).37.
R.
Diehl
and R.
McGrath
, J. Phys.: Condens. Matter
9
, 951
(1997
).38.
P.
Senet
, J.
Toennies
, and G.
Witte
, Chem. Phys. Lett.
299
, 389
(1999
).39.
K. T.
Chan
, J.
Neaton
, and M. L.
Cohen
, Phys. Rev. B
77
, 235430
(2008
).40.
E.
Lee
and K. A.
Persson
, Nano Lett.
12
, 4624
(2012
).41.
Y.
Kubota
, N.
Ozawa
, H.
Nakanishi
, and H.
Kasai
, J. Phys. Soc. Jpn.
79
, 014601
(2009
).42.
A.
Lugo-Solis
and I.
Vasiliev
, Phys. Rev. B
76
, 235431
(2007
).43.
C.
Uthaisar
, V.
Barone
, and J. E.
Peralta
, J. Appl. Phys.
106
, 113715
(2009
).44.
M.
Klintenberg
, S.
Lebegue
, M.
Katsnelson
, and O.
Eriksson
, Phys. Rev. B
81
, 085433
(2010
).45.
T.
Wehling
, M.
Katsnelson
, and A.
Lichtenstein
, Phys. Rev. B
80
, 085428
(2009
).46.
K.-H.
Jin
, S.-M.
Choi
, and S.-H.
Jhi
, Phys. Rev. B
82
, 033414
(2010
).47.
M.
Farjam
and H.
Rafii-Tabar
, Phys. Rev. B
79
, 045417
(2009
).48.
A.
Natori
, T.
Ohno
, and A.
Oshiyama
, J. Phys. Soc. Jpn.
54
, 3042
(1985
).49.
G.
Kresse
and J.
Hafner
, Phys. Rev. B
47
, 558
(1993
).50.
G.
Kresse
and J.
Hafner
, Phys. Rev. B
49
, 14251
(1994
).51.
G.
Kresse
and J.
Furthmüller
, Comput. Mater. Sci.
6
, 15
(1996
).52.
G.
Kresse
and J.
Furthmüller
, Phys. Rev. B
54
, 11169
(1996
).53.
E.
Hazrati
, G. A.
de Wijs
, and G.
Brocks
, Phys. Rev. B
90
, 155448
(2014
).54.
Z.
Wang
, S. M.
Selbach
, and T.
Grande
, RSC Adv.
4
, 4069
(2014
).55.
K.
Lee
, E. D.
Murray
, L.
Kong
, B. I.
Lundqvist
, and D. C.
Langreth
, Phys. Rev. B
82
, 081101
(2010
).56.
P. E.
Blöchl
, Phys. Rev. B
50
, 17953
(1994
).57.
G.
Kresse
and D.
Joubert
, Phys. Rev. B
59
, 1758
(1999
).58.
J.
Cho
, L.
Gao
, J.
Tian
, H.
Cao
, W.
Wu
, Q.
Yu
, E. N.
Yitamben
, B.
Fisher
, J. R.
Guest
, Y. P.
Chen
, and N.
Guisinger
, ACS Nano
5
, 3607
(2011
).59.
J.
Avila
, I.
Razado
, S.
Lorcy
, R.
Fleurier
, E.
Pichonat
, D.
Vignaud
, X.
Wallart
, and M. C.
Asensio
, Sci. Rep.
3
, 2439
(2013
).60.
L.
Zhao
, K.
Rim
, H.
Zhou
, R.
He
, T.
Heinz
, A.
Pinczuk
, G.
Flynn
, and A.
Pasupathy
, Solid State Commun.
151
, 509
(2011
).61.
See supplementary material at http://dx.doi.org/10.1063/1.4921756 for details of the geometry used, change in the work-function when graphene is strained to match the Cu lattice, and variation of work-function with relative translation of graphene.
62.
P. A.
Khomyakov
, G.
Giovannetti
, P. C.
Rusu
, G.
Brocks
, J.
van den Brink
, and P. J.
Kelly
, Phys. Rev. B
79
, 195425
(2009
).63.
L.
Padilla-Campos
, A.
Toro-Labb
, and J.
Maruani
, Surf. Sci.
385
, 24
(1997
).64.
J. M.
Carlsson
and B.
Hellsing
, Phys. Rev. B
61
, 13973
(2000
).65.
S.
Mizuno
, H.
Tochihara
, and T.
Kawamura
, Phys. Rev. B
50
, 17540
(1994
).66.
N.
Fischer
, S.
Schuppler
, R.
Fischer
, T.
Fauster
, and W.
Steinmann
, Phys. Rev. B
47
, 4705
(1993
).67.
P.
Gartland
, S.
Berge
, and B.
Slagsvold
, Phys. Rev. Lett.
28
, 738
(1972
).68.
W.
Tang
, E.
Sanville
, and G.
Henkelman
, J. Phys.: Condens. Matter
21
, 084204
(2009
).69.
T.
Roman
and A.
Groß
, Phys. Rev. Lett.
110
, 156804
(2013
).70.
B. L.
Maschhoff
and J. P.
Cowin
, J. Chem. Phys.
101
, 8138
(1994
).71.
G. A.
Somorjai
and Y.
Li
, Introduction to Surface Chemistry and Catalysis
(John Wiley & Sons
, 2010
).72.
D. M.
Eigler
and E. K.
Schweizer
, Nature
344
, 524
(1990
).© 2015 AIP Publishing LLC.
2015
AIP Publishing LLC
You do not currently have access to this content.
