Silicon represents a common intrinsic impurity in graphene, bonding to either three or four carbon neighbors, respectively, in a single or double carbon vacancy. We investigate the effect of the latter defect (Si–C4) on the structural and electronic properties of graphene using density functional theory. Calculations based both on molecular models and with periodic boundary conditions have been performed. The two-carbon vacancy was constructed from pyrene (pyrene-2C) which was then expanded to circumpyrene-2C. The structural characterization of these cases revealed that the ground state is slightly non-planar, with the bonding carbons displaced from the plane by up to ±0.2 Å. This non-planar structure was confirmed by embedding the defect into a 10 × 8 supercell of graphene, resulting in 0.22 eV lower energy than the previously considered planar structure. Natural bond orbital analysis showed sp3 hybridization at the silicon atom for the non-planar structure and sp2d hybridization for the planar structure. Atomically resolved electron energy loss spectroscopy and corresponding spectrum simulations provide a mixed picture: a flat structure provides a slightly better overall spectrum match, but a small observed pre-peak is only present in the corrugated simulation. Considering the small energy barrier between the two equivalent corrugated conformations, both structures could plausibly exist as a superposition over the experimental time scale of seconds.

1.
E.
Bekyarova
,
M. E.
Itkis
,
P.
Ramesh
,
C.
Berger
,
M.
Sprinkle
,
W. A.
De Heer
, and
R. C.
Haddon
,
J. Am. Chem. Soc.
131
,
1336
(
2009
).
2.
E.
Bekyarova
,
S.
Sarkar
,
F.
Wang
,
M. E.
Itkis
,
I.
Kalinina
,
X.
Tian
, and
R. C.
Haddon
,
Acc. Chem. Res.
46
,
65
(
2013
).
3.
K. S.
Kim
,
Y.
Zhao
,
H.
Jang
,
S. Y.
Lee
,
J. M.
Kim
,
K. S.
Kim
,
J. H.
Ahn
,
P.
Kim
,
J. Y.
Choi
, and
B. H.
Hong
,
Nature
457
,
706
(
2009
).
4.
Y.
Lee
,
S.
Bae
,
H.
Jang
,
S.
Jang
,
S. E.
Zhu
,
S. H.
Sim
,
Y. I.
Song
,
B. H.
Hong
, and
J. H.
Ahn
,
Nano Lett.
10
,
490
(
2010
).
5.
K. V.
Emtsev
,
A.
Bostwick
,
K.
Horn
,
J.
Jobst
,
G. L.
Kellogg
,
L.
Ley
,
J. L.
McChesney
,
T.
Ohta
,
S. A.
Reshanov
,
J.
Rohrl
,
E.
Rotenberg
,
A. K.
Schmid
,
D.
Waldmann
,
H. B.
Weber
, and
T.
Seyller
,
Nat. Mater.
8
,
203
(
2009
).
6.
C.
Berger
,
Z.
Song
,
T.
Li
,
X.
Li
,
A. Y.
Ogbazghi
,
R.
Feng
,
Z.
Dai
,
A. N.
Marchenkov
,
E. H.
Conrad
,
P. N.
First
, and
W. A.
de Heer
,
J. Phys. Chem. B
108
,
19912
(
2004
).
7.
A. H.
Castro Neto
,
F.
Guinea
,
N. M. R.
Peres
,
K. S.
Novoselov
, and
A. K.
Geim
,
Rev. Mod. Phys.
81
,
109
(
2009
).
8.
G. M.
Rutter
,
J. N.
Crain
,
N. P.
Guisinger
,
T.
Li
,
P. N.
First
, and
J. A.
Stroscio
,
Science
317
,
219
(
2007
).
9.
L.
Zhao
,
R.
He
,
K. T.
Rim
,
T.
Schiros
,
K. S.
Kim
,
H.
Zhou
,
C.
Gutiérrez
,
S. P.
Chockalingam
,
C. J.
Arguello
,
L.
Pálová
,
D.
Nordlund
,
M. S.
Hybertsen
,
D. R.
Reichman
,
T. F.
Heinz
,
P.
Kim
,
A.
Pinczuk
,
G. W.
Flynn
, and
A. N.
Pasupathy
,
Science
333
,
999
(
2011
).
10.
W.
Zhou
,
M. D.
Kapetanakis
,
M. P.
Prange
,
S. T.
Pantelides
,
S. J.
Pennycook
, and
J. C.
Idrobo
,
Phys. Rev. Lett.
109
,
206803
(
2012
).
11.
Q. M.
Ramasse
,
C. R.
Seabourne
,
D. M.
Kepaptsoglou
,
R.
Zan
,
U.
Bangert
, and
A. J.
Scott
,
Nano Lett.
13
,
4989
(
2013
).
12.
T.
Susi
,
J.
Kotakoski
,
D.
Kepaptsoglou
,
C.
Mangler
,
T. C.
Lovejoy
,
O. L.
Krivanek
,
R.
Zan
,
U.
Bangert
,
P.
Ayala
,
J. C.
Meyer
, and
Q.
Ramasse
,
Phys. Rev. Lett.
113
,
115501
(
2014
).
13.
F. B. C.
Machado
,
J. A. J.
Aquino
, and
H.
Lischka
,
ChemPhysChem.
15
,
3334
(
2014
).
14.
F. B. C.
Machado
,
A.
Aquino
, and
H.
Lischka
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
17
,
12778
(
2015
).
15.
S.
Haldar
,
R. G.
Amorim
,
B.
Sanyal
,
R. H.
Scheichera
, and
A. R.
Rocha
,
RSC Adv.
6
,
6702
(
2016
).
16.
R.
Nieman
,
A.
Das
,
A. J. A.
Aquino
,
R. G.
Amorim
,
F. B. C.
Machado
, and
H.
Lischka
,
Chem. Phys.
482
,
346
(
2017
).
17.
A. D.
Becke
,
J. Chem. Phys.
98
,
5648
(
1993
).
18.
T.
Yanai
,
D. P.
Tew
, and
N. C.
Handy
,
Chem. Phys. Lett.
393
,
51
(
2004
).
19.
R.
Seeger
and
J. A.
Pople
,
J. Chem. Phys.
66
,
3045
(
1977
).
20.
R.
Bauernschmitt
and
R.
Ahlrichs
,
J. Chem. Phys.
104
,
9047
(
1996
).
21.
J. P.
Perdew
,
K.
Burke
, and
M.
Ernzerhof
,
Phys. Rev. Lett.
77
,
3865
(
1996
).
22.
J. P.
Perdew
,
K.
Burke
, and
M.
Ernzerhof
,
Phys. Rev. Lett.
78
,
1396
(
1997
).
23.
W. J.
Hehre
,
J. Chem. Phys.
56
,
2257
(
1972
).
24.
R. C.
Binning
and
L. A.
Curtiss
,
J. Comput. Chem.
11
,
1206
(
1990
).
25.
L. A.
Curtiss
,
M. P.
McGrath
,
J. P.
Blaudeau
,
N. E.
Davis
,
R. C.
Binning
, and
L.
Radom
,
J. Chem. Phys.
103
,
6104
(
1995
).
26.
R.
Krishnan
,
J. S.
Binkley
,
R.
Seeger
, and
J. A.
Pople
,
J. Chem. Phys.
72
,
650
(
1980
).
27.
M. P.
McGrath
and
L.
Radom
,
J. Chem. Phys.
94
,
511
(
1991
).
28.
A. D.
McLean
and
G. S.
Chandler
,
J. Chem. Phys.
72
,
5639
(
1980
).
29.
A. E.
Reed
,
R. B.
Weinstock
, and
F.
Weinhold
,
J. Chem. Phys.
83
,
735
(
1985
).
30.
J. E.
Carpenter
and
F.
Weinhold
,
J. Mol. Struct.: THEOCHEM
169
,
41
(
1988
).
31.
J. P.
Foster
and
F.
Weinhold
,
J. Am. Chem. Soc.
102
,
7211
(
1980
).
32.
A. E.
Reed
,
L. A.
Curtiss
, and
F.
Weinhold
,
Chem. Rev.
88
,
899
(
1988
).
33.
A. E.
Reed
and
F.
Weinhold
,
J. Chem. Phys.
78
,
4066
(
1983
).
34.
A. E.
Reed
and
F.
Weinhold
,
J. Chem. Phys.
83
,
1736
(
1985
).
35.
T.
Susi
,
T. P.
Hardcastle
,
H.
Hofsäss
,
A.
Mittelberger
,
T. J.
Pennycook
,
C.
Mangler
,
R.
Drummond-Brydson
,
A. J.
Scott
,
J. C.
Meyer
, and
J.
Kotakoski
,
2D Materials
4
,
021013
(
2017
).
36.
T. P.
Hardcastle
,
C. R.
Seabourne
,
D. M.
Kepaptsoglou
,
T.
Susi
,
R. J.
Nicholls
,
R. M. D.
Brydson
,
A. J.
Scott
, and
Q. M.
Ramasse
,
J. Phys.: Condens. Matter
29
,
225303
(
2017
).
37.
R. J.
Nicholls
,
A. J.
Morris
,
C. J.
Pickard
, and
J. R.
Yates
,
J. Phys.: Conf. Ser.
371
,
012062
(
2012
).
38.
M. J.
Frisch
,
G. W.
Trucks
,
H. B.
Schlegel
,
G. E.
Scuseria
,
M. A.
Robb
,
J. R.
Cheeseman
,
G.
Scalmani
,
V.
Barone
,
B.
Mennucci
,
G. A.
Petersson
,
H.
Nakatsuji
,
M.
Caricato
,
X.
Li
,
H. P.
Hratchian
,
A. F.
Izmaylov
,
J.
Bloino
,
G.
Zheng
,
J. L.
Sonnenberg
,
M.
Hada
,
M.
Ehara
,
K.
Toyota
,
R.
Fukuda
,
J.
Hasegawa
,
M.
Ishida
,
T.
Nakajima
,
Y.
Honda
,
O.
Kitao
,
H.
Nakai
,
T.
Vreven
,
J. A.
Montgomery
, Jr.
,
J. E.
Peralta
,
F.
Ogliaro
,
M. J.
Bearpark
,
J.
Heyd
,
E. N.
Brothers
,
K. N.
Kudin
,
V. N.
Staroverov
,
R.
Kobayashi
,
J.
Normand
,
K.
Raghavachari
,
A. P.
Rendell
,
J. C.
Burant
,
S. S.
Iyengar
,
J.
Tomasi
,
M.
Cossi
,
N.
Rega
,
N. J.
Millam
,
M.
Klene
,
J. E.
Knox
,
J. B.
Cross
,
V.
Bakken
,
C.
Adamo
,
J.
Jaramillo
,
R.
Gomperts
,
R. E.
Stratmann
,
O.
Yazyev
,
A. J.
Austin
,
R.
Cammi
,
C.
Pomelli
,
J. W.
Ochterski
,
R. L.
Martin
,
K.
Morokuma
,
V. G.
Zakrzewski
,
G. A.
Voth
,
P.
Salvador
,
J. J.
Dannenberg
,
S.
Dapprich
,
A. D.
Daniels
,
Ö.
Farkas
,
J. B.
Foresman
,
J. V.
Ortiz
,
J.
Cioslowski
, and
D. J.
Fox
, gaussian 09, Revision E.01, Gaussian, Inc., Wallingford, CT, USA,
2009
.
39.
R.
Ahlrichs
,
M.
Bär
,
M.
Häser
,
H.
Horn
, and
C.
Kölmel
,
Chem. Phys. Lett.
162
,
165
(
1989
).
40.
J.
Enkovaara
,
C.
Rostgaard
,
J. J.
Mortensen
,
J.
Chen
,
M.
Dulak
,
L.
Ferrighi
,
J.
Gavnholt
,
C.
Glinsvad
,
V.
Haikola
,
H. A.
Hansen
,
H. H.
Kristoffersen
,
M.
Kuisma
,
A. H.
Larsen
,
L.
Lehtovaara
,
M.
Ljungberg
,
O.
Lopez-Acevedo
,
P. G.
Moses
,
J.
Ojanen
,
T.
Olsen
,
V.
Petzold
,
N. A.
Romero
,
J.
Stausholm-Møller
,
M.
Strange
,
G. A.
Tritsaris
,
M.
Vanin
,
M.
Walter
,
B.
Hammer
,
H.
Häkkinen
,
G. K. H.
Madsen
,
R. M.
Nieminen
,
J. K.
Nørskov
,
M.
Puska
,
T. T.
Rantala
,
J.
Schiøtz
,
K. S.
Thygesen
, and
K. W.
Jacobsen
,
J. Phys.: Condens. Matter
22
,
253202
(
2010
).
41.
S. J.
Clark
,
M. D.
Segall
,
C. J.
Pickard
,
P. J.
Hasnip
,
M. J.
Probert
,
K.
Refson
, and
M. C.
Payne
,
Z. Kristallogr. - Cryst. Mater.
220
,
567
(
2005
).
42.
L.
Tsetseris
,
B.
Wang
, and
S. T.
Pantelides
,
Phys. Rev. B
89
,
035411
(
2014
).
43.
G.
Henkelman
and
H.
Jónsson
,
J. Chem. Phys.
113
,
9978
(
2000
).
44.
W.
Tang
,
E.
Sanville
, and
G.
Henkelman
,
J. Phys.: Condens. Matter
21
,
084204
(
2009
).
45.
T.
Susi
,
V.
Skákalová
,
A.
Mittelberger
,
P.
Kotrusz
,
M.
Hulman
,
T. J.
Pennycook
,
C.
Mangler
,
J.
Kotakoski
, and
J. C.
Meyer
,
Sci. Rep.
7
,
4399
(
2017
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.