金屬氧化物對(duì)石墨烯的粘附對(duì)于石墨烯納米電子和自旋電子界面具有根本意義。 氧化鈦和氧化鋁是此類器件中兩種廣泛使用的隧道勢(shì)壘，它們提供最佳的界面電阻和控制傳輸參數(shù)和器件性能的不同界面條件。 在這里，我們通過電傳輸測(cè)量和拉曼光譜和光電子光譜，結(jié)合這些界面的從頭算電子結(jié)構(gòu)計(jì)算，揭示了這些金屬氧化物如何與石墨烯界面的根本差異。 雖然兩個(gè)氧化物層都會(huì)導(dǎo)致石墨烯中的表面電荷轉(zhuǎn)移誘導(dǎo) p 型摻雜，但與 TiO
x 形成鮮明對(duì)比的是，AlO
x/石墨烯界面顯示出明顯的 sp
3 缺陷的存在。 電子結(jié)構(gòu)計(jì)算表明，由于界面處的 C 和 O 原子之間形成的 sp
3 鍵的組合以及氧化鋁層可能存在的略微偏離化學(xué)計(jì)量的缺陷，會(huì)發(fā)生顯著的 p 型摻雜。 此外，AlO
x/石墨烯界面處的 sp
3雜化導(dǎo)致不飽和鍵的不同磁矩，這不僅解釋了在 AlO
x 勢(shì)壘石墨烯自旋電子器件中廣泛觀察到的低自旋壽命，而且還為新的混合電阻開關(guān)和自旋閥提供了可能性.
圖 1. 石墨烯場(chǎng)效應(yīng)器件在 Al/Ti 沉積和氧化前后的實(shí)驗(yàn)方案。
圖 2. 具有 AlO
x 和 TiO
x 層的石墨烯器件的電特性修改。 與柵極相關(guān)的電導(dǎo)率（以電導(dǎo)量子 e
2/h 為單位）與柵極電壓 (VG) 的關(guān)系。 具有石墨烯的器件在（a）AlO
x 和（b）TiO
x 沉積之前（灰色曲線）和之后（橙色/棕色曲線）的狄拉克曲線。 此處提供的虛線用于指導(dǎo) Dirac 點(diǎn)展寬。 (c-j) Dirac 點(diǎn)位置 (VD) 及其位移 (ΔVD)、場(chǎng)效應(yīng)電子遷移率 (μ)、原始石墨烯 (黑色正方形) 的最小電導(dǎo)率和 AlO
x 和 TiO
x 沉積的總結(jié)。
圖 3. XPS 表征。(a) 原始石墨烯（深棕色）、沉積 TiOx（棕色）和 AlOx（橙色）的石墨烯的概覽光譜，以及 (b) 用于最小二乘擬合的 C 1s 成分。 所有光譜均使用單色 Al K
α 源獲得。 結(jié)合能使用 SiO
2 中 103.3 eV 的 Si 2p 峰和 284.4 eV 的碳 sp
2 峰校準(zhǔn)。
圖 4. (a) 原始石墨烯和具有沉積的 TiO
x和AlO
x的石墨烯的拉曼光譜，插圖顯示 G 和 2D 波段的變化。(b) 代表性石墨烯 (Gr)和石墨烯在 TiO
x(Gr + TiO
x) 和 AlO
x(Gr + AlO
x) 沉積在其頂部后的 AFM 圖像。相應(yīng)的灰線掃描顯示粗糙度輪廓，Rq 表示平均區(qū)域粗糙度。
圖5. 模擬系統(tǒng)的幾何形狀（上面板）。原子 Al、O 和 C 分別用綠色、灰色和橙色表示。 黃色的云是晶體的原子投影磁矩密度。下圖顯示了（a）在石墨烯單層結(jié)構(gòu)（C
8-Al
12O
17）上略微偏離化學(xué)計(jì)量的氧化鋁的投影能帶結(jié)構(gòu)：費(fèi)米能級(jí)相對(duì)于狄拉克點(diǎn)向下移動(dòng)，晶胞磁矩約為 0.44 μB。（b）完美的化學(xué)計(jì)量比（C
8-Al
12O
18）產(chǎn)生部分 sp
3 鍵合的石墨烯，導(dǎo)致局部帶隙開口和磁矩（0.61 μB/晶胞）。(c)具有 sp
3 鍵合 C
8-Al
11O
18 的石墨烯的電子結(jié)構(gòu)，其中晶胞磁矩為 1μB。來(lái)自Al的s和p帶穿過狄拉克錐和費(fèi)米能級(jí)（灰色帶）是由于復(fù)合材料最頂部表面的懸空鍵。
相關(guān)研究成果由烏普薩拉大學(xué)M. Venkata Kamalakar等人2022年發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces (https://doi.org/10.1021/acsami.2c06626)上。原文：Insights and Implications of Intricate Surface Charge Transfer and sp3-Defects in Graphene/Metal Oxide Interfaces。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
