We present a first-principles computational study of the interactions between the boron (B) and nitrogen (N) dopant atoms in graphene. Our calculations are carried out using density functional theory combined with the generalized gradient approximation for the exchange-correlation functional. The total energies, equilibrium geometries, electronic charge distributions, and densities of states of doped graphene sheets are examined in cases of BB, NN, and BN co-doped graphene. We find the BB and NN interactions to be repulsive and the BN interaction to be attractive. In all cases studied, dopant-dopant interactions appear to have a relatively short range. The interaction energy between the two dopant atoms is found to be inversely proportional to the square of the separation distance. We interpret these results in terms of donor-acceptor interactions and structural relaxation. The strong bonding between the B and N atoms indicates the possibility of the formation of isolated patches of hexagonal boron nitride in BN co-doped graphene.

1.
K. S.
Novoselov
,
A. K.
Geim
,
S. V.
Mozorov
,
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
,
Nature Mater.
6
,
183
(
2007
).
3.
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
).
4.
Y. W.
Son
,
M. L.
Cohen
, and
S. G.
Louie
,
Nature
444
,
347
(
2006
).
5.
F.
Schedin
,
A. K.
Geim
,
S. V.
Morozov
,
E. W.
Hill
,
P.
Blake
,
M. I.
Katsnelson
, and
K. S.
Novoselov
,
Nature Mater.
6
,
652
(
2007
).
6.
M. I.
Katsnelson
,
Mater. Today
10
,
20
(
2007
).
7.
L. A.
Ponomarenko
,
F.
Schedin
,
M. I.
Katsnelson
,
R.
Yang
,
E. W.
Hill
,
K. S.
Novoselov
, and
A. K.
Geim
,
Science
320
,
356
(
2008
).
8.
D.
Prezzi
,
D.
Varsano
,
A.
Ruini
,
A.
Marini
, and
E.
Molinari
,
Phys. Rev. B
77
,
041404
R
(
2008
).
9.
N.
Gorjizadeh
,
A. A.
Farajian
,
K.
Esfarjani
, and
Y.
Kawazoe
,
Phys. Rev. B
78
,
155427
(
2008
).
10.
S.
Dutta
and
S. K.
Pati
,
J. Mater. Chem.
20
,
8207
(
2010
).
11.
X.
Cui
,
C. Z.
Zhang
,
R.
Hao
, and
Y. L.
Hou
,
Nanoscale
3
,
2118
(
2011
).
12.
N.
Gorjizadeh
and
Y.
Kawazoe
,
J. Nanomater.
2010
,
513501
(
2010
).
13.
H.
Liu
,
Y.
Liu
, and
D.
Zhu
,
J. Mater. Chem.
21
,
3335
(
2011
).
14.
E.
Cruz-Silva
,
Z. M.
Barnett
,
B. G.
Sumpter
, and
V.
Meunier
,
Phys. Rev. B
83
,
155445
(
2011
).
15.
S. S.
Yu
and
W. T.
Zheng
,
Nanoscale
2
,
1069
(
2010
).
16.
P. A.
Gauden
and
M.
Wisniewski
,
Appl. Surf. Sci.
253
,
5726
(
2007
).
17.
A. G.
Garcia
,
S. E.
Baltazar
,
A. H. R.
Castro
,
J. F. P.
Robles
, and
A.
Rubio
,
J. Comput. Theor. Nanosci.
5
,
2221
(
2008
).
18.
Y.
Dan
,
Y.
Lu
,
N. J.
Kybert
,
Z.
Luo
, and
A. T. C.
Johnson
,
Nano Lett.
9
,
1472
(
2009
).
19.
Y. H.
Zhang
,
Y. B.
Chen
,
K. G.
Zhou
,
C. H.
Liu
,
J.
Zeng
,
H. L.
Zhang
, and
Y.
Peng
,
Nanotechnology
20
,
185504
(
2009
).
20.
I.
Cabria
,
M. J.
Lopez
, and
J. A.
Alonso
,
J. Chem. Phys.
123
,
204721
(
2005
).
21.
M.
Wu
,
C.
Cao
, and
J. Z.
Jiang
,
Nanotechnology
21
,
505202
(
2010
).
22.
D.
Wei
,
Y.
Liu
,
Y.
Wang
,
H.
Zhang
,
L.
Huang
, and
G.
Yu
,
Nano Lett.
9
,
1752
(
2009
).
23.
L. S.
Panchakarla
,
K. S.
Subrahmanyam
,
S. K.
Saha
,
A.
Govindaraj
,
H. R.
Krishnamurthy
,
U. V.
Waghmare
, and
C. N. R.
Rao
,
Adv. Mater.
21
,
4726
(
2009
).
24.
K. S.
Subrahmanyam
,
L. S.
Panchakarla
,
A.
Govindaraj
, and
C. N. R.
Rao
,
J. Phys. Chem. C
113
,
4257
(
2009
).
25.
J. Y.
Yi
and
J.
Bernholc
,
Phys. Rev. B
47
,
1708
(
1993
).
26.
X.
Li
,
H.
Wang
,
J. T.
Robinson
,
H.
Sanchez
,
G.
Diankov
, and
H.
Dai
,
J. Am. Chem. Soc.
131
,
15939
(
2009
).
27.
D. J.
Late
,
A.
Ghosh
,
K. S.
Subrahmanyam
,
L. S.
Panchakarla
,
S. B.
Krupanidhi
, and
C. N. R.
Rao
,
Solid State Comm.
150
,
734
(
2010
).
29.
L.
Liu
and
Z.
Shen
,
Appl. Phys. Lett.
95
,
252104
(
2009
).
30.
M.
Dragoman
and
D.
Dragoman
,
Prog. Quantum Electron.
33
,
165
(
2009
).
31.
J.
Zhou
,
K.
Lv
,
Q.
Wang
,
X. S.
Chen
,
Q.
Sun
, and
P.
Jena
,
J. Chem. Phys.
134
,
174701
(
2011
).
32.
S. M.
Kozlov
,
F.
Vines
, and
A.
Gorling
,
Adv. Mater.
23
,
2638
(
2011
).
33.
P. P.
Shinde
and
V.
Kumar
,
Phys. Rev. B
84
,
125401
(
2011
).
34.
X. J.
Lu
,
J. J.
Wu
,
T. Q.
Lin
,
D. Y.
Wan
,
F. Q.
Huang
,
X. M.
Xie
, and
M. H.
Jiang
,
J. Mater. Chem.
21
,
10685
(
2011
).
35.
C. H.
Zhang
,
L.
Fu
,
N.
Liu
,
M. H.
Liu
,
Y. Y.
Wang
, and
Z. F.
Liu
,
Adv. Mater.
23
,
1020
(
2011
).
36.
T. Q.
Lin
,
F. Q.
Huang
,
J.
Liang
, and
Y. X.
Wang
,
Energy Environ. Sci
4
,
862
(
2011
).
37.
Z. H.
Sheng
,
L.
Shao
,
J. J.
Chen
,
W. J.
Bao
,
F. B.
Wang
, and
X. H.
Xia
,
ACS Nano
5
,
4350
(
2011
).
38.
A.
Lherbier
,
X.
Blase
,
Y. M.
Niquet
,
F.
Triozon
, and
S.
Roche
,
Phys. Rev. Lett.
101
,
036808
(
2008
).
39.
Z. Y.
Wang
,
H. F.
Hu
, and
H.
Zeng
,
Appl. Phys. Lett.
96
,
243110
(
2010
).
40.
P.
Navarro-Santos
,
J. L.
Ricardo-Chavez
,
M.
Reyes-Reyes
,
J. L.
Rivera
, and
R.
Lopez-Sandoval
,
J. Phys.: Condens. Matter
22
,
505302
(
2010
).
41.
L. A.
Ma
,
H.
Hu
,
L. Y.
Zhu
, and
J. L.
Wang
,
J. Phys. Chem. C
115
,
6195
(
2011
).
42.
J. E.
Padilha
,
R. B.
Pontes
,
A. J. R.
Da Silva
, and
A.
Fazzio
,
Int. J. Quantum Chem.
111
,
1379
(
2011
).
43.
S. H.
Gao
,
Z. Y.
Ren
,
L. J.
Wan
,
J. M.
Zheng
,
P.
Guo
, and
Y. X.
Zhou
,
Appl. Surf. Sci.
257
,
7443
(
2011
).
44.
P.
Hohenberg
and
W.
Kohn
,
Phys. Rev.
136
,
B864
(
1964
);
W.
Kohn
and
L. J.
Sham
,
Phys. Rev.
140
,
A1133
(
1965
).
45.
L.
Kleinman
and
D. M.
Bylander
,
Phys. Rev. Lett.
48
,
1425
(
1982
).
46.
N.
Troullier
and
J. L.
Martins
,
Phys. Rev. B
43
,
1993
(
1991
).
47.
J. P.
Perdew
,
K.
Burke
, and
M.
Ernzerhof
,
Phys. Rev. Lett.
77
,
3865
(
1996
).
48.
P.
Ordejon
,
E.
Artacho
, and
J. M.
Soler
,
Phys. Rev. B
53
,
R10441
(
1996
).
49.
J. M.
Soler
,
E.
Artacho
,
J.
Gale
,
A.
Garcia
,
J.
Junquera
,
P.
Ordejon
, and
D.
Sanchez-Portal
,
J. Phys.: Condens. Matter
14
,
2745
(
2002
).
50.
F.
El-Mellouhi
,
N.
Mousseau
, and
P.
Ordejon
,
Phys. Rev. B
70
,
205202
(
2004
).
51.
L.
Kronik
,
A.
Makmal
,
M. L.
Tiago
,
M. M. G.
Alemany
,
M.
Jain
,
X. Y.
Huang
,
Y.
Saad
, and
J. R.
Chelikowsky
,
Phys. Status Solidi B
243
,
1063
(
2006
).
52.
J. R.
Chelikowsky
,
N.
Troullier
,
K.
Wu
, and
Y.
Saad
,
Phys. Rev. B
50
,
11355
(
1994
).
53.
R. H.
Byrd
,
J.
Nocedal
, and
R. B.
Schnabel
,
Math. Program.
63
,
129
(
1994
);
R. A.
Waltz
,
J. L.
Morales
,
J.
Nocedal
, and
D.
Orban
,
Math. Program.
107
,
391
(
2006
).
54.
N.
Al-Aqtash
and
I.
Vasiliev
,
J. Phys. Chem. C
115
,
18500
(
2011
).
55.
R. S.
Mulliken
,
J. Chem. Phys.
23
,
1833
(
1955
).
56.
57.
B.
Zheng
,
P.
Hermet
, and
L.
Henrard
,
ACS Nano
4
,
4165
(
2010
).
58.
K. E.
Kweon
and
G. S.
Hwang
,
Phys. Rev. B
82
,
195439
(
2010
).
59.
L.
Ci
,
L.
Song
,
C.
Jin
,
D.
Jariwala
,
D.
Wu
,
Y.
Li
,
A.
Srivastava
,
Z. F.
Wang
,
K.
Storr
,
L.
Balicas
,
F.
Liu
, and
P. M.
Ajayan
,
Nature Mater.
9
,
430
(
2010
).
60.
S.
Suzuki
and
H.
Hibino
,
Mater. Sci. Eng. B
177
,
233
(
2012
).
61.
M. S.
Blanter
,
Phys. Status Solidi B
181
,
377
(
1994
);
M. S.
Blanter
,
J. Alloys Compd.
282
,
137
(
1999
).
62.
B.
Wang
,
Y.
Puzyrev
, and
S. T.
Pantelides
,
Carbon
49
,
3983
(
2011
).
63.
W. H.
Brito
,
R.
Kagimura
, and
R. H.
Miwa
,
Phys. Rev. B
85
,
035404
(
2012
).
You do not currently have access to this content.