The structural and electronic properties of two-dimensional gallium nitrides (2D GaNs) on a van der Waals (vdW) epitaxial substrate are investigated using first-principles calculations. We show that the structures and electronic properties of mono- and bilayer GaN are hardly affected when deposited on the vdW substrate comprising a graphene sheet placed on the GaN(0001) bulk surface. A weak attractive interaction is found to work between the 2D GaNs and vdW substrate, which is still sufficient to maintain the 2D GaNs on the substrate and could also be exploited to control their stability. The present findings demonstrate that the vdW substrate is propitious to grow and hold the 2D GaNs without altering their intrinsic properties, in contrast to previously examined metal substrates.

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.
A. K.
Geim
and
K. S.
Novoselov
,
Nat. Mater.
6
,
183
(
2007
).
3.
K. S.
Novoselov
,
D.
Jiang
,
F.
Schedin
,
T. J.
Booth
,
V. V.
Khotkevich
,
S. V.
Morozov
, and
A. K.
Geim
,
Proc. Natl Acad. Sci. U. S. A.
102
,
10451
(
2005
).
4.
H.
Liu
,
A. T.
Neal
,
Z.
Zhu
,
Z.
Luo
,
X.
Xu
,
D.
Tomanek
, and
P. D.
Ye
,
ACS Nano
8
,
4033
(
2014
).
5.
A.
Carvalho
,
M.
Wang
,
X.
Zhu
,
A. S.
Rodin
,
H.
Su
, and
A. H. C.
Neto
,
Nat. Rev. Mater.
1
,
16061
(
2016
).
6.
K. J.
Chen
,
O.
Häberlen
,
A.
Lidow
,
C.
Lin Tsai
,
T.
Ueda
,
Y.
Uemoto
, and
Y.
Wu
,
IEEE Trans. Electron Devices
64
,
779
(
2017
).
7.
H.
Amano
,
Y.
Baines
,
E.
Beam
,
M.
Borga
,
T.
Bouchet
,
P. R.
Chalker
,
M.
Charles
,
K. J.
Chen
,
N.
Chowdhury
,
R.
Chu
,
C. D.
Santi
,
M. M. D.
Souza
,
S.
Decoutere
,
L. D.
Cioccio
,
B.
Eckardt
,
T.
Egawa
,
P.
Gay
,
J. J.
Freedsman
,
L.
Guido
,
O.
Häberlen
,
G.
Haynes
,
T.
Heckel
,
D.
Hemakumara
,
P.
Houston
,
J.
Hu
,
M.
Hua
,
Q.
Huang
,
A.
Huang
,
S.
Jiang
,
H.
Kawai
,
D.
Kinzer
,
M.
Kuball
,
A.
Kumar
,
K. B.
Lee
,
X.
Li
,
D.
Marcon
,
M.
März
,
R.
McCarthy
,
G.
Meneghesso
,
M.
Meneghini
,
E.
Morvan
,
A.
Nakajima
,
E. M. S.
Narayanan
,
S.
Oliver
,
T.
Palacios
,
D.
Piedra
,
M.
Plissonnier
,
R.
Reddy
,
M.
Sun
,
I.
Thayne
,
A.
Torres
,
N.
Trivellin
,
V.
Unni
,
M. J.
Uren
,
M. V.
Hove
,
D. J.
Wallis
,
J.
Wang
,
J.
Xie
,
S.
Yagi
,
S.
Yang
,
C.
Youtsey
,
R.
Yu
,
E.
Zanoni
,
S.
Zeltner
, and
Y.
Zang
,
J. Phys. D
51
,
163001
(
2018
).
8.
T.
Oka
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
58
,
SB0805
(
2019
).
9.
Y.
Gao
,
T.
Yayama
, and
S.
Okada
,
Appl. Phys. Express
9
,
095201
(
2016
).
10.
Y.
Gao
and
S.
Okada
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
56
,
065201
(
2017
).
11.
N.
Sanders
,
D.
Bayerl
,
G.
Shi
,
K. A.
Mengle
, and
E.
Kioupakis
,
Nano Lett.
17
,
7345
(
2017
).
12.
A. K. A.
Lu
,
T.
Yayama
,
T.
Morishita
,
M. J. S.
Spencer
, and
T.
Nakanishi
,
J. Phys. Chem. C
123
,
1939
(
2019
).
13.
A. K. A.
Lu
,
T.
Yayama
,
T.
Morishita
, and
T.
Nakanishi
,
J. Phys. Chem. C
124
,
16888
(
2020
).
14.
T.
Yayama
,
A. K. A.
Lu
,
T.
Morishita
, and
T.
Nakanishi
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
58
,
SCCB35
(
2019
).
15.
Z. Y. A.
Balushi
,
K.
Wang
,
R. K.
Ghosh
,
R. A.
Vilá
,
S. M.
Eichfeld
,
J. D.
Caldwell
,
X.
Qin
,
Y. C.
Lin
,
P. A.
DeSario
,
G.
Stone
,
S.
Subramanian
,
D. F.
Paul
,
R. M.
Wallace
,
S.
Datta
,
J. M.
Redwing
, and
J. A.
Robinson
,
Nat. Mater.
15
,
1166
(
2016
).
16.
L. C.
Lew Yan Voon
,
J.
Zhu
, and
U.
Schwingenschlögl
,
Appl. Phys. Rev.
3
,
040802
(
2016
).
17.
M. J. S.
Spencer
and
T.
Morishita
,
Silicene: Structure, Properties and Applications
(
Springer
,
Switzerland
,
2016
).
18.
T.
Morishita
,
M. J. S.
Spencer
,
S.
Kawamoto
, and
I. K.
Snook
,
J. Phys. Chem. C
117
,
22142
22148
(
2013
).
19.
T.
Morishita
and
M. J. S.
Spencer
, “How silicene on Ag(111),”
Sci. Rep.
5
,
17570
(
2015
).
20.
A.
Koma
,
J. Cryst. Growth
201–202
,
236
(
1999
).
21.
Y.
Kim
,
S. S.
Cruz
,
K.
Lee
,
B. O.
Alawode
,
C.
Choi
,
Y.
Song
,
J. M.
Johnson
,
C.
Heidelberger
,
W.
Kong
,
S.
Choi
,
K.
Qiao
,
I.
Almansouri
,
E. A.
Fitzgerald
,
J.
Kong
,
A. M.
Kolpak
,
J.
Hwang
, and
J.
Kim
,
Nature
544
,
340
(
2017
).
22.
W.
Kong
,
H.
Li
,
K.
Qiao
,
Y.
Kim
,
K.
Lee
,
Y.
Nie
,
D.
Lee
,
T.
Osadchy
,
R. J.
Molnar
,
D. K.
Gaskill
,
R. L.
Myers Ward
,
K. M.
Daniels
,
Y.
Zhang
,
S.
Sundram
,
Y.
Yu
,
H.
Bae
,
S.
Rajan
,
Y.
Shao Horn
,
K.
Cho
,
A.
Ougazzaden
,
J. C.
Grossman
, and
J.
Kim
,
Nat. Mater.
17
,
999
(
2018
).
23.
U.
Ooe
,
S.
Mouri
,
S.
Arakawa
,
F.
Bin Abas
,
Y.
Nanishi
, and
T.
Araki
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
58
,
SC1053
(
2019
).
24.
J.
Jeong
,
K. A.
Min
,
B. K.
Kang
,
D. H.
Shin
,
J.
Yoo
,
W. S.
Yang
,
S. W.
Lee
,
S.
Hong
, and
Y. J.
Hong
,
Appl. Phys. Lett.
113
,
233103
(
2018
).
25.
A. K.
Singh
,
H. L.
Zhuang
, and
R. G.
Hennig
,
Phys. Rev. B
89
,
245431
(
2014
).
26.
A. K.
Singh
and
R. G.
Hennig
,
Appl. Phys. Lett.
105
,
051604
(
2014
).
27.
P.
Hohenberg
and
W.
Kohn
,
Phys. Rev.
136
,
B864
(
1964
).
28.
W.
Kohn
and
L. J.
Sham
,
Phys. Rev.
140
,
A1133
(
1965
).
29.
G.
Kresse
and
J.
Hafner
,
Phys. Rev. B
47
,
558
(
1993
).
30.
G.
Kresse
and
J.
Furthmüller
,
Phys. Rev. B
54
,
11169
(
1996
).
31.
G.
Kresse
and
D.
Joubert
,
Phys. Rev. B
59
,
1758
(
1999
).
32.
P. E.
Blöchl
,
Phys. Rev. B
50
,
17953
(
1994
).
33.
J. P.
Perdew
,
K.
Burke
, and
M.
Ernzerhof
,
Phys. Rev. Lett.
77
,
3865
(
1996
).
34.
S.
Grimme
,
J.
Antony
,
S.
Ehrilich
, and
H.
Krieg
,
J. Chem. Phys.
132
,
154104
(
2010
).
35.
A.
Onen
,
D.
Kecik
,
E.
Durgun
, and
S.
Ciraci
,
Nanoscale
10
,
21842
(
2018
).
36.
W.
Tang
,
E.
Sanville
, and
G.
Henkelman
,
J. Phys. Condens. Matter
21
,
084204
(
2009
).
37.
The MD calculations with a time step of 1 fs were performed using VASP under the conditions used for the geometry optimization except for the cutoff energy, which was set to be 400 eV. It is confirmed that the original 1 × 1 GaN(0001) surface structure is maintained below the graphene monolayer at 300 K, which is consistent with previous first-principles studies.22 
38.
H.
Amano
,
I.
Akasaki
,
K.
Hiramatsu
,
N.
Koide
, and
N.
Sawaki
,
Thin Solid Films
163
,
415
(
1988
).
39.
A.
Watanabe
,
T.
Takeuchi
,
K.
Hirosawa
,
H.
Amano
,
K.
Hiramatsu
, and
I.
Akasaki
,
J. Cryst. Growth
128
,
391
(
1993
).
You do not currently have access to this content.