引言及简介

研究了用纳米金刚石（ND）颗粒修饰的石墨烯片的电子性质。ND与石墨烯晶格的化学熔合产生局部缺陷，具有强大的界面结合。在ND键合区域，石墨烯晶格的原子遵循sp 3状键合，并且这些区域起到渗透sp 2 石墨烯网络的传导瓶颈的作用。低温电荷传输揭示了与石墨烯中的电荷载体的Anderson定位相关的无序系统的绝缘行为。在该绝缘方案中观察到大的负磁阻，并且其起源在局部电荷载流子与局部磁畴和与ND相关的外在金属杂质的磁相关的背景下讨论。

图形概况

在这项工作中，我们通过在化学气相沉积（CVD）期间在ND涂覆的铜基板上生长石墨烯来研究纳米金刚石（ND）颗粒与石墨烯的化学熔合。在转移到SiO 2基板上的石墨烯 / ND膜上进行的低温磁运输实验表明，NDs为渗透sp 2 石墨烯产生传导瓶颈网络，导致绝缘行为。电荷载流子通过无序定位，并且低载流子密度下的传导可以通过二维（2D）可变范围跳跃（VRH）机制来描述。除引入定位外，爆轰合成的纯化的ND也是痕量磁性杂质形式的磁性源。此外，由于金刚石 - 石墨烯附着的碳磁性的可能性非常有趣，因为单个纳米金刚石颗粒内的缺陷已经被争论以引起铁磁有序。 在绝缘方案中，在磁场的存在下观察到电阻的强调制，这可归因于局部电荷载体与磁性杂质或原子磁矩的相互作用。

讨论

成长与表征

所述石墨烯薄膜生长在涂有氟化ND粒子铜箔。在CVD生长期间，石墨烯膜在铜和ND之间的界面处生长。ND / G杂化结构的生长示意图如图1a所示。碳纳米管和ND颗粒的偶联形成杂化纳米碳体系已经在先前的实验中得到证实，其中ND的生长需要在纳米管上存在缺陷。在我们的实验中，铜箔基板呈现石墨烯生长所需的平台，而ND颗粒允许在ND与之融合后形成sp 3碳包裹体。石墨烯。氟化ND的用于以下原因：（i）其可以容易地在溶液中进行分散，从而允许的均匀播种石墨烯具有离散的ND，如图通过在扫描电子显微镜（SEM）图1 B; （ii）氟化的NDs在高温下对金刚石形成的C-C键的反应性增加。通过改变旋涂的速度可以容易地控制Cu表面上的ND密度，这允许我们通过改变ND之间的平均距离来调节石墨烯器件的电通道

图1。ND / G杂化结构的合成方法，显微镜观察和光谱分析。的（a）ND状语从句：石墨烯的混合纳米结构的生长示意图。 （b）中的Si衬底上的ND / G膜的SEM图像。比例尺为1μm的。 （c）中XPS测量验证了ND和石墨烯的存在。插图通过拟合峰显示ND / G结构中的C1s核-壳的SP 2和SP 3。峰。接口的原理图模型，侧视图（d） ND / G系统的拉曼光谱（514nm激发）分析。通过使用ç 13，可以将石墨烯的d峰与金刚石特征峰分离同位素标记。（e）ND颗粒的典型TEM图像。金刚石微晶中晶格条纹的间距约为0.21nm。比例尺为5纳米。（f）界面处的混合纳米结构的HRTEM图像.ND和石墨烯之的间界面的英文（111）和（111），以109°的角度相交和/或彼此平行。比例尺为2纳米。

电荷运输

在将石墨烯 / ND膜转移到SiO 2 / Si晶片上之后，在光刻图案化的四端子器件上进行电荷传输测量。图2示出的ND的上的SEM图像的石墨烯表面上，并且ND簇分布与几百纳米的分离。将几个3μm宽的石墨烯 / ND区域的室温薄层电阻率绘制为长度L的函数，在图2中从L = 1至16μm 变化。湾 在微米级器件上，ND的影响是平均的，并且电阻率的变化在2倍之内，这可归因于石墨烯上的载流子密度不均匀性以及ND缺陷密度的一些变化。发现所有器件都是轻微空穴掺杂的，电荷中性点（CNP）通常偏移0-15V，这表明没有显着的电荷转移掺杂。相比之下，稀氢化石墨烯显示出明显的空穴掺杂。

图2.微米级石墨烯 / ND器件的电荷传输测量。（a）石墨烯 / ND膜的SEM图像，显示ND簇的分布。比例尺为1μm[ 插图：石墨烯 / ND器件的光学图像]。（ b）3μm宽相邻器件的薄层电阻率与长度的关系。（c）在T = 2.5至300K的不同温度下的电阻与V bg的关系。（d）对于V g = 0V（蓝色） ，-20V（红色），ln R 对T -1/3的曲线。

磁输运

在低温磁输运石墨烯 / ND系统中绘制图3，它揭示了显著负磁阻（MR），在达到-70％乙所示样品1 = 8 T，而不饱和度。负MR在CNP附近最大化，其中定位效应占主导地位。在升高温度时，磁阻效应逐渐减小。

图3.微米级石墨烯 / ND器件的磁传输测量。（a）低场磁运动：对于不同温度，MR 对比V在V g = -20 V（远离CNP）：对于样品1，T = 10 K（蓝色），20 K（绿色）和50 K（红色）（b）高场磁运动：MR 与 B在V g = 0 V（接近CNP），T = 10 K [插图：MR 对 B在V g = 0 V（接近CNP）在低场不同温度]对于样品1，（c）样品2的VRH图：对于不同的磁场，CNP上的Rn 对比T -1/3（B） = 0,0.3,0.5,1,3,5T）。（d）样品2的特征温度T 0 对磁场

未来展望及总结

澄清个别ND晶粒在这些混合膜的传输性质的确切作用的一种方法是图案石墨烯相交他们的纳米结构（参见示意性图4的A）。预计这种装置中的传输将由石墨烯和ND 的界面支配。我们从这种纳米结构的初步数据表明，显著负MR可以在强本地化的能量窗口存在（参见图4 d，e）所示。样品GNC-1中测得的电流比I（8 T）/ I（0 T）的2D曲线图来自T = 2.5 K时的两次不同扫描，显示为源极 - 漏极偏压和背栅极电压的函数。图4 e。在白色阴影的区域图4 E对应于一个当前增强超过10（倍即，负MR超过-90％），它定义定位强（Δ的能量空间窗口V BG〜15 V和Δ的源极-漏极偏置窗口V SD〜60毫伏）。与单独的边缘在相当宽度的原始石墨烯纳米限制中的定位效果相比，这些值似乎是显着的。需要更多实验来阐明外部磁性杂质是否与ND的单个晶粒/簇以及ND- 石墨烯是否相关耦合本身包括磁化原子尺度矩。

图4. 石墨烯 / ND纳米结构的磁转运测量。（a）与ND缺陷热点相交的GNR的概念示意图。（b）石墨烯收缩的轻敲模式AFM形貌图像与纳米金刚石簇相交（红色，横向尺寸~70nm）。比例尺为100nm。（c）相同GNR / ND设备的轻敲模式AFM相位图像。（d）耐VS V BG - V NP在不同温度下从Ť = 2.5至300 K.（ e）根据8，T磁场通过器件的电流的二维图，归一化到零场值。以白色阴影的区域对应于当前增强I M / I.（0）> 10。

总之，我们证明了纳米金刚石（ND）与石墨烯晶格的化学融合引入了sp 3区域的局部区域。ND的存在通过引起传导瓶颈并增加薄层电阻来影响传输。温度和磁场依赖性传输揭示了强定位的存在，特别是在低载流子密度下。该系统中的电荷传输涉及涉及sp 2 - 和sp 3 -富集区域的微妙相互作用。该石墨烯/ ND膜在低温下显示出显着的负磁阻，并且其可能的起因在于局部载流子与痕量的外部磁性杂质的磁相关性，所述外部磁性杂质是爆炸合成的ND的特征。需要进一步的实验来阐明石墨烯 / ND薄膜中磁中心的确切来源，因为不能忽视与ND结合的位置处的原子磁矩的可能性。这可能需要不同的方法来结合金刚石和石墨烯晶格。最后，我们注意到即使非磁性过渡金属原子也吸附在石墨烯附近已经预测晶格在与石墨烯晶格杂化时显示出显着的栅极可调磁性。对于涉及具有非磁性金属吸附原子的无序石墨烯系统的实验，我们的结果提供了有用的比较。