Electronic and optical properties of graphene and graphitic ZnO (G/g-ZnO) nanocomposites have been investigated with density functional theory. Graphene interacts overall weakly with g-ZnO monolayer via van der Waals interaction. There is no charge transfer between the graphene and g-ZnO monolayer, while a charge redistribution does happen within the graphene layer itself, forming well-defined electron-hole puddles. When Al or Li is doped in the g-ZnO monolayer, substantial electron (n-type) and hole (p-type) doping can be induced in graphene, leading to well-separated electron-hole pairs at their interfaces. Improved optical properties in graphene/g-ZnO nanocomposite systems are also observed, with potential photocatalytic and photovoltaic applications.

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 (London)
438
,
197
(
2005
).
2.
S. Y.
Zhou
,
G.-H.
Gweon
,
J.
Graf
,
A. V.
Fedorovo
,
C. D.
Spataru
,
R. D.
Diehl
,
Y.
Kopelevich
,
D.-H.
Lee
,
S. G.
Louie
, and
A.
Lanzara
,
Nat. Phys.
2
,
595
(
2006
).
3.
T.
Ohta
,
A.
Bostwick
,
T.
Seyller
,
K.
Horn
, and
E.
Rotenberg
,
Science
313
,
951
(
2006
).
4.
A. K.
Geim
and
K. S.
Novoselov
,
Nat. Mater.
6
,
183
(
2007
).
5.
J. C.
Meyer
,
A. K.
Geim
,
M. I.
Katsnelson
,
K. S.
Novoselov
,
T. J.
Booth
, and
S.
Roth
,
Nature (London)
446
,
60
(
2007
).
7.
A. H. C.
Neto
,
F.
Guinea
,
N. M. R.
Peres
,
K. S.
Novoselov
, and
A. K.
Geim
,
Rev. Mod. Phys.
81
,
109
(
2009
).
8.
F.
Bonaccorso
,
Z.
Sun
,
T.
Hasan
, and
A. C.
Ferrari
,
Nature Photon.
4
,
611
(
2010
).
9.
M.
Ishigami
,
J. H.
Chen
,
W. G.
Cullen
,
M. S.
Fuhrer
, and
E. D.
Williams
,
Nano Lett.
7
,
1643
(
2007
).
10.
J.
Martin
,
N.
Akerman
,
G.
Ulbricht
,
T.
Lohmann
,
J. H.
Smet
,
K.
von Klitzing
, and
A.
Yacoby
,
Nat. Phys.
4
,
144
(
2008
).
11.
P.
Shemellaa
and
S. K.
Nayak
,
Appl. Phys. Lett.
94
,
032101
(
2009
).
12.
N. T.
Cuong
,
M.
Otani
, and
S.
Okada
,
Phys. Rev. Lett.
106
,
106801
(
2011
).
13.
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
).
14.
A.
Mattausch
and
O.
Pankratov
,
Phys. Rev. Lett.
99
,
076802
(
2007
).
15.
F.
Varchon
,
R.
Feng
,
J.
Hass
,
X.
Li
,
B. N.
Nguyen
,
C.
Naud
,
P.
Mallet
,
J.-Y.
Veuillen
,
C.
Berger
,
E. H.
Conrad
, and
L.
Magaud
,
Phys. Rev. Lett.
99
,
126805
(
2007
).
16.
S.
Kim
,
J.
Ihm
,
H. J.
Choi
, and
Y.-W.
Son
,
Phys. Rev. Lett.
100
,
176802
(
2008
).
17.
J.
Ristein
,
S.
Mammadov
, and
T.
Seyller
,
Phys. Rev. Lett.
108
,
246104
(
2012
).
18.
G.
Giovannetti
,
P. A.
Khomyakov
,
G.
Brocks
,
V. M.
Karpan
,
J.
van den Brink
, and
P. J.
Kelly
,
Phys. Rev. Lett.
101
,
026803
(
2008
).
19.
P. A.
Khomyakov
,
G.
Giovannetti
,
P. C.
Rusu
,
G.
Brocks
,
J.
van den Brink
, and
P. J.
Kelly
,
Phys. Rev. B
79
,
195425
(
2009
).
20.
C.
Gong
,
G.
Lee
,
B.
Shan
,
E. M.
Vogel
,
R. M.
Wallace
, and
K.
Cho
,
J. Appl. Phys.
108
,
123711
(
2010
).
21.
M.
Vanin
,
J. J.
Mortensen
,
A. K.
Kelkkanen
,
J. M.
Garcia-Lastra
,
K. S.
Thygesen
, and
K. W.
Jacobsen
,
Phys. Rev. B
81
,
081408
(R) (
2010
).
22.
G.
Giovannetti
,
P. A.
Khomyakov
,
G.
Brocks
,
P. J.
Kelly
, and
J.
van den Brink
,
Phys. Rev. B
76
,
073103
(
2007
).
23.
C. R.
Dean
,
A. F.
Young
,
I.
Meric
,
C.
Lee
,
L.
Wang
,
S.
Sorgenfrei
,
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
,
P.
Kim
,
K. L.
Shepard
, and
J.
Hone
,
Nature Nanotechnol.
5
,
722
(
2010
).
24.
Y.
Fan
,
M.
Zhao
,
Z.
Wang
,
X.
Zhang
, and
H.
Zhang
,
Appl. Phys. Lett.
98
,
083103
(
2011
).
25.
K.
Chang
and
W.
Chen
,
Chem. Commun.
47
,
4252
(
2011
).
26.
Y.
Ma
,
Y.
Dai
,
M.
Guo
,
C.
Niu
, and
B.
Huang
,
Nanoscale
3
,
3883
(
2011
).
27.
L.
Britnell
,
R. V.
Gorbachev
,
R.
Jalil
,
B. D.
Belle
,
F.
Schedin
,
A.
Mishchenko
,
T.
Georgiou
,
M. I.
Katsnelson
,
L.
Eaves
,
S. V.
Morozov
,
N. M. R.
Peres
,
J.
Leist
,
A. K.
Geim
,
K. S.
Novoselov
, and
L. A.
Ponomarenko
,
Science
335
,
947
(
2012
).
28.
J. N.
Coleman
,
M.
Lotya
,
A.
O’Neill
,
S. D.
Bergin
,
P. J.
King
,
U.
Khan
,
K.
Young
,
A.
Gaucher
,
S.
De
,
R. J.
Smith
,
I. V.
Shvets
,
S. K.
Arora
,
G.
Stanton
,
H.-Y.
Kim
,
K.
Lee
,
G. T.
Kim
,
G. S.
Duesberg
,
T.
Hallam
,
J. J.
Boland
,
J. J.
Wang
,
J. F.
Donegan
,
J. C.
Grunlan
,
G.
Moriarty
,
A.
Shmeliov
,
R. J.
Nicholls
,
J. M.
Perkins
,
E. M.
Grieveson
,
K.
Theuwissen
,
D. W.
McComb
,
P. D.
Nellist
, and
V.
Nicolosi
,
Science
331
,
568
(
2011
).
29.
Y.
Ma
,
Y.
Dai
,
W.
Wei
,
C.
Niu
,
L.
Yu
, and
B.
Huang
,
J. Phys. Chem. C
115
,
20237
(
2011
).
30.
Q. J.
Xiang
,
J. G.
Yu
, and
M.
Jaroniec
,
J. Phys. Chem. C
115
,
7355
(
2011
).
31.
A.
Du
,
S.
Sanvito
,
Z.
Li
,
D.
Wang
,
Y.
Jiao
,
T.
Liao
,
Q.
Sun
,
Y. H.
Ng
,
Z.
Zhu
,
R.
Amal
, and
S. C.
Smith
,
J. Am. Chem. Soc.
134
,
4393
(
2012
).
32.
Y. J.
Kim
,
J. H.
Lee
, and
G. C.
Yi
,
Appl. Phys. Lett.
95
,
213101
(
2009
).
33.
J.
Lin
,
M.
Penchev
,
G.
Wang
,
R. K.
Paul
,
J.
Zhong
,
X.
Jing
,
M.
Ozkan
, and
C. S.
Ozkan
,
Small
6
,
2448
(
2010
).
34.
S. W.
Hwang
,
D. H.
Shin
,
C. O.
Kim
,
S. H.
Hong
,
M. C.
Kim
,
J.
Kim
,
K. Y.
Lim
,
S.
Kim
,
S.-H.
Choi
,
K. J.
Ahn
,
G.
Kim
,
S. H.
Sim
, and
B. H.
Hong
,
Phys. Rev. Lett.
105
,
127403
(
2010
).
35.
X.
Liu
,
L.
Pan
,
T.
Lv
,
T.
Lu
,
G.
Zhu
,
Z.
Sun
, and
C.
Sun
,
Catal. Sci. Technol.
1
,
1189
(
2011
).
36.
H.
Chang
,
Z.
Sun
,
K. Y.-F.
Ho
,
X.
Tao
,
F.
Yan
,
W.-M.
Kwok
, and
Z.
Zheng
,
Nanoscale
3
,
258
(
2011
).
37.
T.
Xu
,
L.
Zhang
,
H.
Cheng
, and
Y.
Zhu
,
Appl. Catal. B
101
,
382
(
2011
).
38.
Y. P.
Zhang
,
H. B.
Li
,
L. K.
Pan
,
T.
Lu
, and
Z.
Sun
,
J. Electroanal. Chem.
634
,
68
(
2009
).
39.
T.
Lu
,
Y.
Zhang
,
H.
Li
,
L.
Pan
,
Y.
Li
, and
Z.
Sun
,
Electrochem. Acta
55
,
4170
(
2010
).
40.
Y. Y.
Hui
,
G.
Tai
,
Z.
Sun
,
Z.
Xu
,
N.
Wang
,
F.
Yan
, and
S. P.
Lau
,
Nanoscale
4
,
3118
(
2012
).
41.
F.
Claeyssens
,
C. L.
Freeman
,
N. L.
Allan
,
Y.
Sun
,
M. N. R.
Ashfold
, and
J. H.
Harding
,
J. Mater. Chem.
15
,
139
(
2005
).
42.
C. L.
Freeman
,
F.
Claeyssens
, and
N. L.
Allan
,
Phys. Rev. Lett.
96
,
066102
(
2006
).
43.
Z. C.
Tu
and
X.
Hu
,
Phys. Rev. B
74
,
035434
(
2006
).
44.
Z. C.
Tu
,
J. Comput. Theor. Nanosci.
7
,
1182
(
2010
).
45.
C.
Tusche
,
H. L.
Meyerheim
, and
J.
Kirschner
,
Phys. Rev. Lett.
99
,
026102
(
2007
).
46.
M. H.
Wu
,
X. J.
Wu
,
Y.
Pei
, and
X. C.
Zeng
,
Nano Res.
4
,
233
(
2011
).
47.
E. J.
Kan
,
H. J.
Xiang
,
F.
Wu
,
C.
Tian
,
C.
Lee
,
J. L.
Yang
, and
M.-H.
Whangbo
,
Appl. Phys. Lett.
97
,
122503
(
2010
).
48.
Y.
Wang
,
Y.
Ding
,
J.
Ni
,
S.
Shi
,
C.
Li
, and
J.
Shi
,
Appl. Phys. Lett.
96
,
213117
(
2010
).
49.
T. M.
Schmidt
,
R. H.
Miwa
, and
A.
Fazzio
,
Phys. Rev. B
81
,
195413
(
2010
).
50.
H.
Guo
,
Y.
Zhao
,
N.
Lu
,
E.
Kan
,
X. C.
Zeng
,
X.
Wu
, and
J.
Yang
,
J. Phys. Chem. C
116
,
11336
(
2012
).
51.
M.
Venkatesan
,
C. B.
Fitzgerald
,
J. G.
Lunney
, and
J. M. D.
Coey
,
Phys. Rev. Lett.
93
,
177206
(
2004
).
52.
L.-H.
Ye
,
A. J.
Freeman
, and
B.
Delley
,
Phys. Rev. B
73
,
033203
(
2006
).
53.
A. A.
Sokol
,
S. A.
French
,
S. T.
Bromley
,
C. R. A.
Catlow
,
H. J. J.
van Dame
, and
P.
Sherwoode
,
Faraday Discuss.
134
,
267
(
2007
).
54.
G.
Kresse
and
J.
Hafner
,
Phys. Rev. B
47
,
558
(
1993
).
55.
J. P.
Perdew
,
K.
Burke
, and
M.
Ernzerhof
,
Phys. Rev. Lett.
77
,
3865
(
1996
).
56.
S.
Grimme
,
J. Comput. Chem.
27
,
1787
(
2006
).
57.
S.
Grimme
,
C.
Muck-Lichtenfeld
, and
J.
Antony
,
J. Phys. Chem. C
111
,
11199
(
2007
).
58.
J.
Antony
and
S.
Grimme
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
10
,
2722
(
2008
).
59.
T.
Bucko
,
J.
Hafner
,
S.
Lebegueand
, and
J. G.
Angyan
,
J. Phys. Chem. A
114
,
11814
(
2010
).
60.
R.
Kagimura
,
M. S. C.
Mazzoni
, and
H.
Chacham
,
Phys. Rev. B
85
,
125415
(
2012
).
61.
L.
Yuan
,
Z.
Li
,
J.
Yang
, and
J. G.
Hou
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
14
,
8179
(
2012
).
62.
Y.
Ma
,
Y.
Dai
,
M.
Guo
, and
B.
Huang
,
Phys. Rev. B
85
,
235448
(
2012
).
63.
G.
Makov
and
M. C.
Payne
,
Phys. Rev. B
51
,
4014
(
1995
).
64.
M.
Gajdoš
,
K.
Hummer
, and
G.
Kresse
,
Phys. Rev. B
73
,
045112
(
2006
).
65.
Y.
Baskin
and
L.
Mayer
,
Phys. Rev.
100
,
544
(
1955
).
66.
R.
Zacharia
,
H.
Ulbricht
, and
T.
Hertel
,
Phys. Rev. B
69
,
155406
(
2004
).
67.
R. E.
Mapasha
,
A. M.
Ukpong
, and
N.
Chetty
,
Phys. Rev. B
85
,
205402
(
2012
).
68.
R.
Qin
,
C.-H.
Wang
,
W.
Zhu
, and
Y.
Zhang
,
AIP Adv.
2
,
022159
(
2012
).
69.
M.
Calandra
and
F.
Mauri
,
Phys. Rev. B
76
,
205411
(
2007
).
70.
S.
Lany
and
A.
Zunger
,
Phys. Rev. B
78
,
235104
(
2008
).
71.
J.
Heyd
,
G. E.
Scuseria
, and
M.
Ernzerhof
,
J. Chem. Phys.
124
,
219906
(
2006
).
72.
J.
Harl
and
G.
Kresse
,
Phys. Rev. B
77
,
045136
(
2008
).
73.
J.
Harl
and
G.
Kresse
,
Phys. Rev. Lett.
103
,
056401
(
2009
).
74.
J.
Harl
,
L.
Schimka
, and
G.
Kresse
,
Phys. Rev. B
81
,
115126
(
2010
).
75.
S.
Lebègue
,
J.
Harl
,
T.
Gould
,
J. G.
Ángyán
,
G.
Kresse
, and
J. F.
Dobson
,
Phys. Rev. Lett.
105
,
196401
(
2010
).
76.
B.
Sachs
,
T. O.
Wehling
,
M. I.
Katsnelson
, and
A. I.
Lichtenstein
,
Phys. Rev. B
84
,
195414
(
2011
).
77.
T.
Olsen
,
J.
Yan
,
J. J.
Mortensen
, and
K. S.
Thygesen
,
Phys. Rev. Lett.
107
,
156401
(
2011
).
78.
T.
Björkman
,
A.
Gulans
,
A. V.
Krasheninnikov
, and
R. M.
Nieminen
,
Phys. Rev. Lett.
108
,
235502
(
2012
).
79.
T.
Björkman
,
A.
Gulans
,
A. V.
Krasheninnikov
, and
R. M.
Nieminen
,
J. Phys.: Condens. Matter
24
,
424218
(
2012
).
80.
Y. J.
Yu
,
Y.
Zhao
,
S.
Ryu
,
L. E.
Brus
,
K. S.
Kim
, and
P.
Kim
,
Nano Lett.
9
,
3430
(
2009
).
81.
S. J.
Sque
,
R.
Jones
, and
P. R.
Briddon
,
Phys. Status Solidi A
204
,
3078
(
2007
).
82.
83.
A.
Du
,
Y. H.
Ng
,
N. J.
Bell
,
Z.
Zhu
,
R.
Amal
, and
S. C.
Smith
,
J. Phys. Chem. Lett.
2
,
894
(
2011
).
84.
Z.
Chen
,
I.
Santoso
,
R.
Wang
,
L. F.
Xie
,
H. Y.
Mao
,
H.
Huang
,
Y. Z.
Wang
,
X. Y.
Gao
,
Z. K.
Chen
,
D.
Ma
,
A. T. S.
Wee
, and
W.
Chen
,
Appl. Phys. Lett.
96
,
213104
(
2010
).
85.
Y.
Zhang
and
J.
Singh
,
J. Appl. Phys.
85
,
587
(
1999
).
86.
X.
Wu
,
M.
Sprinkle
,
X.
Li
,
F.
Ming
,
C.
Berger
, and
W. A.
de Heer
,
Phys. Rev. Lett.
101
,
026801
(
2008
).
87.
Y.
Yoon
,
G.
Fiori
,
S.
Hong
,
G.
Iannaccone
, and
J.
Guo
,
IEEE Trans. Electron Devices
55
,
2314
(
2008
).
89.
S.
Tongay
,
T.
Schumann
, and
A. F.
Hebard
,
Appl. Phys. Lett.
95
,
222103
(
2009
).
90.
X.
Li
,
H.
Zhu
,
K.
Wang
,
A.
Cao
,
J.
Wei
,
C.
Li
,
Y.
Jia
,
Z.
Li
,
Xi.
Li
, and
D.
Wu
,
Adv. Mater.
22
,
2743
(
2010
).
91.
S.
Tongay
,
T.
Schumann
,
X.
Miao
,
B. R.
Appleton
, and
A. F.
Hebard
,
Carbon
49
,
2033
(
2011
).
92.
C.-C.
Chen
,
M.
Aykol
,
C.-C.
Chang
,
A. F. J.
Levi
, and
S. B.
Cronin
,
Nano Lett.
11
,
1863
(
2011
).
93.
H.
Yang
,
J.
Heo
,
S.
Park
,
H. J.
Song
,
D. H.
Seo
,
K.-E.
Byun
,
P.
Kim
,
I. K.
Yoo
,
H.-J.
Chung
, and
K.
Kim
,
Science
336
,
1140
(
2012
).
94.
H.
Sojoudi
,
J.
Baltazar
,
L. M.
Tolbert
,
C. L.
Henderson
, and
S.
Graham
,
Appl. Mater. Interfaces
4
,
4781
(
2012
).
95.
J.
Baltazar
,
H.
Sojoudi
,
S. A.
Paniagua
,
J.
Kowalik
,
S. R.
Marder
,
L. M.
Tolbert
,
S.
Graham
, and
C. L.
Henderson
,
J. Phys. Chem. C
116
,
19095
(
2012
).
96.
F.
Wu
,
Y.
Liu
,
G.
Yu
,
D.
Shen
,
Y.
Wang
, and
E.
Kan
,
J. Phys. Chem. Lett.
3
,
3330
(
2012
).
97.
J.
Yang
,
Y.
Zhai
,
H.
Liu
,
H.
Xiang
,
X.
Gong
, and
S.
Wei
,
J. Am. Chem. Soc.
134
,
12653
(
2012
).
You do not currently have access to this content.