The lattice dynamics and disorder-induced contraction in hydrogenated, fluorinated, and chlorinated graphene are studied by first-principles simulation. The effects of the functionalization on the phonon dispersions, Grüneissen constants, vibrational thermodynamic functions (free energy, internal energy, entropy, and heat capacity), thermal-expansion coefficients, and bulk moduli are systematically investigated. Functionalization changes the chemical-bond length, mass, thickness, vibrational-mode symmetry, and mode number, and subsequently has significant effects on the phonon dispersions and Grüneissen constants. Functionalization generally increases the vibrational thermodynamic functions, and their temperature dependences all present conventional isotope effects. Functionalization suppresses (enhances) the thermal contraction (expansion) of the lattice, due to the increases in the system mass, membrane thickness, and the compressibility of the phonons. Both the lattice-constant variation and the phonon thermalization contribute to the temperature dependence of the bulk modulus. Both pristine and hydrogenated graphene can be viewed as two kinds of materials having the Invar and Elinvar properties. The contribution to the lattice contraction in functionalized graphene from the conformation disorder (about 2.0%) is much larger than that by thermalization (<0.1% at 300 K), which explains the mismatch between the experimental and theoretical lattice constants.

1.
A. K.
Geim
and
K. S.
Novoselov
,
Nature Mater.
6
,
183
(
2007
).
2.
M. I.
Katsnelson
,
Mater. Today
10
,
20
(
2007
).
3.
F.
Schwierz
,
Nat. Nanotechnol.
5
,
487
(
2010
).
4.
T.
Molitor
,
J.
Güttinger
,
C.
Stampfer
,
S.
Dröscher
,
A.
Jacobsen
,
T.
Ihn
, and
K.
Ensslin
,
J. Phys.: Condens. Matter
23
,
243201
(
2011
).
5.
O. V.
Prezhdo
,
Surf. Sci.
605
,
1607
(
2011
).
6.
V.
Singh
,
D.
Joung
,
L.
Zhai
,
S.
Das
,
S. I.
Khondaker
, and
S.
Seal
,
Prog. Mater. Sci.
56
,
1178
(
2011
).
7.
X.
Huang
,
Z.
Yin
,
S.
Wu
,
X.
Qi
,
Q.
He
,
Q.
Zhang
,
Q.
Yan
,
F.
Boey
, and
H.
Zhang
,
Small
7
,
1876
(
2011
).
8.
S.
Ryu
,
M. Y.
Han
,
J.
Maultzsch
,
T. F.
Heinz
,
P.
Kim
,
M. L.
Steigerwald
, and
L. E.
Brus
,
Nano Lett.
8
,
4597
(
2008
).
9.
D. C.
Elias
,
R. R.
Nair
,
T. M. G.
Mohiuddin
,
S. V.
Morozov
,
P.
Blake
,
M. P.
Halsall
,
A. C.
Ferrari
,
D. W.
Boukhvalov
,
M. I.
Katsnelson
,
A. K.
Geim
, and
K. S.
Novoselov
,
Science
323
,
610
(
2009
).
10.
R. R.
Nair
,
W.
Ren
,
R.
Jalil
 et al.,
Small
6
,
2877
(
2010
).
11.
R.
Zbořil
,
F.
Karlický
,
A. B.
Bourlinos
,
T. A.
Steriotis
,
A. K.
Stubos
,
V.
Georgakilas
,
K.
Šafářová
,
D.
Jančík
,
C.
Trapalis
, and
M.
Otyepka
,
Small
6
,
2885
(
2010
).
12.
B.
Li
,
L.
Zhou
,
D.
Wu
,
H.
Peng
,
K.
Yan
,
Y.
Zhou
, and
Z.
Liu
,
ACS Nano
5
,
5957
(
2011
).
13.
J.
Wu
,
L.
Xie
,
Y.
Li
,
H.
Wang
,
Y.
Ouyang
,
J.
Guo
, and
H.
Dai
,
J. Am. Chem. Soc.
133
,
19668
(
2011
).
14.
H.
Yang
,
M.
Chen
,
H.
Zhou
,
C.
Qiu
,
L.
Hu
,
F.
Yu
,
W.
Chu
,
S.
Sun
, and
L.
Sun
,
J. Phys. Chem. C
115
,
16844
(
2011
).
15.
A.
Castellanos-Gomez
,
M.
Wojtaszek
,
Arramel
,
N.
Tombros
, and
B. J.
van Wees
,
Small
8
,
1607
(
2012
).
16.
J. O.
Sofo
,
A. S.
Chaudhari
, and
G. D.
Barber
,
Phys. Rev. B
75
,
153401
(
2007
).
17.
O.
Leenaerts
,
H.
Peelaers
,
A. D.
Hernández-Nieves
,
B.
Partoens
, and
F. M.
Peeters
,
Phys. Rev. B
82
,
195436
(
2010
).
18.
E.
Muñoz
,
A. K.
Singh
,
M. A.
Ribas
,
E. S.
Penev
, and
B. I.
Yakobson
,
Diam. Related Mater.
19
,
368
(
2010
).
19.
J.
Zhou
,
Q.
Liang
, and
J.
Dong
,
Carbon
48
,
1405
(
2010
).
20.
H.
Gao
,
L.
Wang
,
J.
Zhao
,
F.
Ding
, and
J.
Lu
,
J. Phys. Chem. C
115
,
3236
(
2011
).
21.
R.
Balog
,
B.
Jorgensen
,
L.
Nilsson
 et al.,
Nature Mater.
9
,
315
(
2010
).
22.
Z.
Luo
,
J.
Shang
,
S.
Lim
,
D.
Li
,
Q.
Xiong
,
Z.
Shen
,
J.
Lin
, and
T.
Yu
,
Appl. Phys. Lett.
97
,
233111
(
2010
).
23.
S. H.
Cheng
,
K.
Zou
,
F.
Okino
,
H. R.
Gutierrez
,
A.
Gupta
,
N.
Shen
,
P. C.
Eklund
,
J. O.
Sofo
, and
J.
Zhu
,
Phys. Rev. B
81
,
205435
(
2010
).
24.
J. T.
Robinson
,
J. S.
Burgess
,
C. E.
Junkermeier
,
S. C.
Badescu
,
T. L.
Reinecks
,
F. K.
Perkins
,
M. K.
Zalalutdniov
,
J. W.
Baldwin
,
J. C.
Culbertson
,
P. E.
Sheehan
, and
E. S.
Snow
,
Nano Lett.
10
,
3001
(
2010
).
25.
M.
Jaiswal
,
C. H. Y. X.
Lim
,
Q.
Bao
,
C. T.
Toh
,
K. P.
Loh
, and
B.
Özyilmaz
,
ACS Nano
5
,
888
(
2011
).
26.
K. J.
Jeon
,
Z.
Lee
,
E.
Pollak
,
L.
Moreschini
,
A.
Bostwick
,
C. M.
Park
,
R.
Mendelsberg
,
V.
Radmilovic
,
R.
Kostecki
,
T. J.
Richardson
, and
E.
Rotenberg
,
ACS Nano
5
,
1042
(
2011
).
27.
A. K.
Singh
and
B. I.
Yakobson
,
Nano Lett.
9
,
1540
(
2009
).
28.
P.
Sessi
,
J. R.
Guest
,
M.
Bode
, and
N. P.
Guisinger
,
Nano Lett.
9
,
4343
(
2009
).
29.
A. K.
Singh
,
E. S.
Penev
, and
B. I.
Yakobson
,
ACS Nano
4
,
3510
(
2010
).
30.
Z.
Sun
,
C. L.
Pint
,
D. C.
Marcano
,
C.
Zhang
,
J.
Yao
,
G.
Ruan
,
Z.
Yan
,
Y.
Zhu
,
R. H.
Hauge
, and
J. M.
Tour
,
Nat. Commun.
2
,
559
(
2011
).
31.
F.
Withers
,
T. H.
Bointon
,
M.
Dubois
,
S.
Russo
, and
M. F.
Cracium
,
Nano Lett.
11
,
3912
(
2011
).
32.
M. A.
Ribas
,
A. K.
Singh
,
P. B.
Sorokin
, and
B. I.
Yakobson
,
Nano Res.
4
,
143
(
2011
).
33.
L. F.
Huang
,
X. H.
Zheng
,
G. R.
Zhang
,
L. L.
Li
, and
Z.
Zeng
,
J. Phys. Chem. C
115
,
21088
(
2011
).
34.
I. S.
Byun
,
D.
Yoon
,
J. S.
Choi
,
I.
Hwang
,
D. H.
Lee
, and
M.
Lee
,
ACS Nano
5
,
6417
(
2011
).
35.
L. F.
Huang
and
Z.
Zeng
,
Front. Phys.
7
,
324
(
2012
).
36.
M. H. F.
Sluiter
and
Y.
Kawazoe
,
Phys. Rev. B
68
,
085410
(
2003
).
37.
M. Z. S.
Flores
,
P. A. S.
Autreto
,
S. B.
Legoas
, and
D. S.
Galvao
,
Nanotechnology
20
,
465704
(
2009
).
38.
D. K.
Samarakoon
,
Z.
Chen
,
C.
Nicolas
, and
X. Q.
Wang
,
Small
7
,
965
(
2011
).
39.
N.
Mounet
and
N.
Marzari
,
Phys. Rev. B
71
,
205214
(
2005
).
40.
K. V.
Zakharchenko
,
M. I.
Katsnelson
, and
A.
Fasolino
,
Phys. Rev. Lett.
102
,
046808
(
2009
).
41.
W.
Bao
,
F.
Miao
,
Z.
Chen
,
H.
Zhang
,
W.
Jang
,
C.
Dames
, and
C. N.
Lau
,
Nat. Nanotechnol.
4
,
562
(
2009
).
42.
D.
Yoon
,
Y. W.
Son
, and
H.
Cheong
,
Nano Lett.
11
,
3227
(
2011
).
43.
M.
Neek-Amal
and
F. M.
Peeters
,
Phys. Rev. B
83
,
235437
(
2011
).
44.
H.
Peelaers
,
A. D.
Hernández-Nieves
,
O.
Leenaerts
,
B.
Partoens
, and
F. M.
Peeters
,
Appl. Phys. Lett.
98
,
051914
(
2011
).
45.
H.
Sahin
,
M.
Topsakal
, and
S.
Ciraci
,
Phys. Rev. B
83
,
115432
(
2011
).
46.
F. W.
Averill
and
J. R.
Morris
,
Phys. Rev. B
84
,
035411
(
2011
).
47.
C. D.
Reddy
,
Q. H.
Cheng
,
V. B.
Shenoy
, and
Y. W.
Zhang
,
J. Appl. Phys.
109
,
054314
(
2011
).
48.
S.
Baroni
,
S.
de Gironcoli
,
A.
Dal Corso
, and
P.
Giannozzi
,
Rev. Mod. Phys.
73
,
515
(
2001
).
49.
P.
Giannozzi
,
S.
Baroni
,
N.
Bonini
 et al.,
J. Phys.: Condens. Matter
21
,
395502
(
2009
).
50.
D. R.
Hamann
,
M.
Schlüter
, and
C.
Chiang
,
Phys. Rev. Lett.
43
,
1494
(
1979
).
51.
J. P.
Perdew
and
A.
Zunger
,
Phys. Rev. B
23
,
5048
(
1981
).
52.
R.
Paupitz
,
P. A. S.
Autreto
,
S. B.
Legoas
,
S. G.
Srinivasan
,
A. C. T.
van Duin
, and
D. S.
Galvão
,
Nanotechnology
24
,
035706
(
2013
).
53.
See supplementary material at http://dx.doi.org/10.1063/1.4793790 for (1) the structural information of the disordered HGs; (2) the electronic DOS and charge density of HG, FG, and ClG; (3) the Brillouin-zone sampling method for the phononic calculation; (4) some additional results on the thermodynamic properties.
54.
D.
Vanderbilt
,
Phys. Rev. B
41
,
7892
(
1990
).
55.
B.
Grabowski
,
T.
Hickel
, and
J.
Neugebauer
,
Phys. Rev. B
76
,
024309
(
2007
).
56.
B.
Grabowski
,
T.
Hickel
, and
J.
Neugebauer
,
Phys. Status Solidi B
248
,
1295
(
2011
).
57.
T.
Hickel
,
B.
Grabowski
,
F.
Körmann
, and
J.
Neugebauer
,
J. Phys. Condens. Matter
24
,
053202
(
2012
).
58.
S. L.
Shang
,
Y.
Wang
,
D.
Kim
, and
Z. K.
Liu
,
Comp. Mater. Sci.
47
,
1040
(
2010
).
59.
Y.
Wang
,
J. J.
Wang
,
H.
Zhang
,
V. R.
Manga
,
S. L.
Shang
,
L. Q.
Chen
, and
Z. K.
Liu
,
J. Phys.: Condens. Matter
22
,
225404
(
2010
).
60.
J. F.
Nye
,
Physical Properties of Crystals
(
Clarendon,
Oxford
,
1985
), p.
186
.
61.
N. D.
Mermin
,
Phys. Rev.
176
,
250
(
1968
).
62.
J. C.
Meyer
,
A. K.
Geim
,
M. I.
Katsnelson
,
K. S.
Novoselov
,
T. J.
Booth
, and
S.
Roth
,
Nature
446
,
60
(
2007
).
63.
A.
Fasolino
,
J. H.
Los
, and
M. I.
Katsnelson
,
Nature Mater.
6
,
858
(
2007
).
64.
K. V.
Zakharchenko
,
J. H.
Los
,
M. I.
Katsnelson
, and
A.
Fasolino
,
Phys. Rev. B
81
,
235439
(
2010
).
65.
J. A.
Yan
,
W. Y.
Ruan
, and
M. Y.
Chou
,
Phys. Rev. B
77
,
125401
(
2008
).
66.
T.
Saito
,
T.
Furuta
,
J. H.
Hwang
 et al.,
Science
300
,
464
(
2003
).
67.
L. F.
Huang
,
M. Y.
Ni
,
X. H.
Zheng
,
W. H.
Zhou
,
Y. G.
Li
, and
Z.
Zeng
,
J. Phys. Chem. C
114
,
22636
(
2010
).
68.
L. F.
Huang
,
M. Y.
Ni
,
G. R.
Zhang
,
W. H.
Zhou
,
Y. G.
Li
,
X. H.
Zheng
, and
Z.
Zeng
,
J. Chem. Phys.
135
,
064705
(
2011
).
69.
L. F.
Huang
,
T. F.
Cao
,
P. L.
Gong
,
Z.
Zeng
, and
C.
Zhang
,
Phys. Rev. B
86
,
125433
(
2012
).
70.
A.
Kokalj
,
Comput. Mater. Sci.
28
,
155
(
2003
); code available from http://www.xcrysden.org.

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.