The electronic structure of bilayer graphene, where one of the layers possesses monovacancies, is studied under an external electric field using density functional theory. Our calculations show that Fermi-level pinning occurs in the bilayer graphene with defects under hole doping. However, under electron doping, the Fermi level rapidly increases at the critical gate voltage with an increasing electron concentration. In addition to the carrier species, the relative arrangement of the gate electrode to the defective graphene layer affects the Fermi energy position with respect to the carrier concentration. Because the distribution of the accumulated carrier depends on the electrode position, the quantum capacitance of bilayer graphene with defects depends on the electrode position.

1.
K. S.
Novoselov
,
A. K.
Geim
,
S. V.
Morozov
,
D.
Jiang
,
M. I.
Katsnelson
,
I. V.
Grigorieva
,
S. V.
Dubonos
, and
A. A.
Firsov
,
Nature
438
,
197
(
2005
).
2.
Y.
Zhang
,
Y.-W.
Tan
,
H. L.
Stormer
, and
P.
Kim
,
Nature
438
,
201
(
2005
).
3.
K. I.
Bolotin
,
K. J.
Sikes
,
Z.
Jiang
,
M.
Klima
,
G.
Fudenberg
,
J.
Hone
,
P.
Kim
, and
H. L.
Stormer
,
Solid State Commun.
146
,
351
(
2008
).
4.
J. B.
Oostinga
,
H. B.
Heersche
,
X.
Liu
,
A. F.
Morpurgo
, and
L. M. K.
Vandersypen
,
Nat. Mater.
7
,
151
(
2007
).
5.
Y.
Zhang
,
T.
Tang
,
C.
Girit
,
Z.
Hao
,
M. C.
Martin
,
A.
Zettl
,
M. F.
Crommie
,
Y. R.
Shen
, and
F.
Wang
,
Nature
459
,
820
(
2009
).
6.
M. F.
Craciun
,
S.
Russo
,
M.
Yamamoto
,
J. B.
Oostinga
,
A. F.
Morpurgo
, and
S.
Tarucha
,
Nat. Nanotechnol.
4
,
383
(
2009
).
7.
S.
Konabe
and
S.
Okada
,
J. Phys. Soc. Jpn.
81
,
113702
(
2012
).
8.
R.
Balog
,
B.
Jørgensen
,
L.
Nilsson
,
M.
Andersen
,
E.
Rienks
,
M.
Bianchi
,
M.
Fanetti
,
E.
Lægsgaard
,
A.
Baraldi
,
S.
Lizzit
,
Z.
Sljivancanin
,
F.
Besenbacher
,
B.
Hammer
,
T. G.
Pedersen
,
P.
Hofmann
, and
L.
Hornekær
,
Nat. Mater.
9
,
315
(
2010
).
9.
Y.
Ma
,
P. O.
Lehtinen
,
A. S.
Foster
, and
R. M.
Nieminen
,
New J. Phys.
6
,
68
(
2004
).
10.
H.
Amara
,
S.
Latil
,
V.
Meunier
,
Ph.
Lambin
, and
J.-C.
Charlier
,
Phys. Rev. B
76
,
115423
(
2007
).
11.
M. M.
Ugeda
,
I.
Brihuega
,
F.
Hiebel
,
P.
Mallent
,
J.-Y.
Veuillen
,
J. M.
G.-Rodriguez
, and
F.
Yndurain
,
Phys. Rev. B
85
,
121402(R)
(
2012
).
12.
M.
Dvorak
,
W.
Oswald
, and
Z.
Wu
,
Sci. Rep.
3
,
2289
(
2013
).
13.
P.
Koskinen
,
S.
Malola
, and
H.
Häkkinen
,
Phys. Rev. Lett.
101
,
115502
(
2008
).
14.
S.
Okada
,
T.
Kawai
, and
K.
Nakada
,
J. Phys. Soc. Jpn.
80
,
013709
(
2011
).
15.
S. Y.
Zhou
,
G.-H.
Gweon
,
A. V.
Fedorov
,
P. N.
First
,
W. A.
de Heer
,
D.-H.
Lee
,
F.
Guinea
,
A. H. C.
Neto
, and
A.
Lanzara
,
Nat. Mater.
6
,
770
(
2007
).
16.
A.
Mattausch
and
O.
Pankratov
,
Phys. Rev. Lett.
99
,
076802
(
2007
).
17.
N. T.
Cuong
,
M.
Otani
, and
S.
Okada
,
Phys. Rev. Lett.
106
,
106801
(
2011
).
18.
K.
Kamiya
,
N.
Umezawa
, and
S.
Okada
,
Phys. Rev. B
83
,
153413
(
2011
).
19.
M.
Koshino
and
T.
Ando
,
Phys. Rev. B
76
,
085425
(
2007
).
20.
M.
Otani
,
M.
Koshino
,
Y.
Takagi
, and
S.
Okada
,
Phys. Rev. B
81
,
161403(R)
(
2010
).
21.
W.
Bao
,
L.
Jing
,
J.
Velasco
, Jr.
,
Y.
Lee
,
G.
Liu
,
D.
Tran
,
B.
Standley
,
M.
Aykol
,
S. B.
Cronin
,
D.
Smirnov
,
M.
Koshino
,
E.
McCann
,
M.
Bockrath
, and
C. N.
Lau
,
Nat. Phys.
7
,
948
(
2011
).
22.
K.
Nakada
,
M.
Fujita
,
G.
Dresselhaus
, and
M. S.
Dresselhaus
,
Phys. Rev. B
54
,
17954
(
1996
).
23.
T. G.
Pedersen
,
C.
Flindt
,
J.
Pedersen
,
N. A.
Mortensen
,
A. P.
Jauho
, and
K.
Pedersen
,
Phys. Rev. Lett.
100
,
136804
(
2008
).
24.
J. O.
Sofo
,
A. S.
Chaudhari
, and
G. D.
Barber
,
Phys. Rev. B
75
,
153401
(
2007
).
25.
J.
Zhou
,
M. M.
Wu
,
X.
Zhou
, and
Q.
Sun
,
Appl. Phys. Lett.
95
,
103108
(
2009
).
26.
F.
Withers
,
T. H.
Bointon
,
M.
Dubois
,
S.
Russo
, and
M. F.
Craciun
,
Nano Lett.
11
,
3912
(
2011
).
27.
N.-T.
Cuong
,
M.
Otani
, and
S.
Okada
,
Appl. Phys. Lett.
101
,
233106
(
2012
).
28.
K.
Kishimoto
and
S.
Okada
,
Surf. Sci.
644
,
18
(
2016
).
29.
K.
Kishimoto
and
S.
Okada
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
55
,
06GF06
(
2016
).
30.
P.
Hohenberg
and
W.
Kohn
,
Phys. Rev.
136
,
B864
(
1964
).
31.
W.
Kohn
and
L. J.
Sham
,
Phys. Rev.
140
,
A1133
(
1965
).
32.
Y.
Morikawa
,
K.
Iwata
, and
K.
Terakura
,
Appl. Surf. Sci.
169–170
,
11
(
2000
).
33.
J. P.
Perdew
and
A.
Zunger
,
Phys. Rev. B
23
,
5048
(
1981
).
34.
D. M.
Ceperley
and
B. J.
Alder
,
Phys. Rev. Lett.
45
,
566
(
1980
).
35.
D.
Vanderbilt
,
Phys. Rev. B
41
,
7892
(
1990
).
36.
M.
Otani
and
O.
Sugino
,
Phys. Rev. B
73
,
115407
(
2006
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.