Влияние осаждения частиц кобальта на квантовые поправки к проводимости Друде в твистированном CVD графене

Использование графена в электронике требует как экспериментального исследования процесса формирования высококачественных низкоомных контактов, так и углубления понимания механизмов электронного переноса в окрестности контакта металл/графен. В работе исследован транспорт носителей заряда в твистированном CVD графене, который декорирован электрохимически осажденными частицами Co, образующими омический контакт с графеновым слоем. Сопоставляются температурные и магнетополевые зависимости слоевого сопротивления R_‘(T,B) исходного и декорированного  твистированного графена на подложке из оксида кремния. Показано сосуществование отрицательного (при индукции магнитного поля ниже 1 Тл) и положительного (индукция выше 1 Тл) вкладов в магниторезистивный эффект в обоих типах образцов. Зависимости R_‘(T,B) анализируются на основе теории двумерных интерференционных квантовых поправок к проводимости Друде с учетом конкуренции вклада от прыжкового механизма проводимости. Показано, что в изученной области температур (2–300 К) и магнитных полей (до 8 Тл) при описании транспорта носителей заряда в исследованном графене необходимо учитывать не менее трех интерференционных вкладов в проводимость: от слабой локализации, междолинного рассеяния и нарушения хиральности псевдоспина, а также короблением графена вследствие тепловых флуктуаций.

графен, структуры графен/металл, электротранспорт, магнетосопротивление

1. Ferrari A. C., Bonaccorso F., Fal’ko V., Novoselov K. S., Roche S., Bøggild P. et al. Science and technology roadmap for graphene, related two-dimensional crystals, and hybrid systems // Nanoscale. 2015. V. 7, N 11. P. 4598—4810. DOI: 10.1039/c4nr01600a

2. Liu Y., Liu Z., Lew W. S., Wang Q. J. Temperature dependence of the electrical transport properties in few-layer graphene interconnects // Nanoscale Res. Lett. 2013. V. 8. P. 335—340. DOI: 10.1186/1556-276X-8-335

3. Castro Neto A. H., Guinea F., Peres N. M. R., Novoselov K. S., Geim A. K. The electronic properties of grapheme // Rev. Mod. Phys. 2009. V. 81, N 1. P. 109—115. DOI: 10.1103/RevModPhys.81.109

4. Asshoff P. U., Sambricio J. L., Rooney A. P., Slizovskiy S., Mishchenko A., Rakowski A. M., Hill E. W., Geim A. K., Haigh S. J., Fal’ko V. I., Vera-Marun I. J., Grigorieva I. V. Magnetoresistance of vertical Co-graphene-NiFe junctions controlled by charge transfer and proximity-induced spin splitting in graphene // 2D Mater. 2017. V. 4, N 3. P. 031004. DOI: 10.1088/2053-1583/aa7452

5. Iqbal M. Z., Iqbal M. W., Lee J. H., Kim Y. S., Chun S.-H., Eom J. Spin valve effect of NiFe/graphene/NiFe junctions // Nano Research. 2013. V. 6. P. 373—380. DOI: 10.1007/s12274-013-0314-x

6. De Franco V. C., Castro G. M. B., Corredor J., Mendes D., Schmidt J. E. In-situ magnetization measurements and ex-situ morphological analysis of electrodeposited cobalt onto chemical vapor deposition graphene/SiO2/Si // Carbon Lett. 2017. V. 21. P. 16—22. DOI: 10.5714/CL.2017.21.016

7. Khatami Y., Li H., Xu C., Banerjee K. Metal-to-multilayer-graphene contact. Part I: Contact resistance modeling // IEEE Trans. Electron. Devices. 2012. V. 59, Iss. 9. P. 2444—2452. DOI: 10.1109/TED.2012.2205256

8. Ruhl G., Wittmann S., Koenig M., Neumaier D. The integration of graphene into microelectronic devices // Beilstein J. Nanotechnol. 2017. V. 8. P. 1056—1064. DOI: 10.3762/bjnano.8.107

9. Bayev V. G., Fedotova J. A., Kasiuk J. V., Vorobyova S. A., Sohor A. A., Komissarov I. V., Kovalchuk N. G., Prischepa S. L., Kargin N. I., Andrulevičius M., Przewoznik J., Kapusta Cz., Ivashkevich O. A., Tyutyunnikov S. I., Kolobylina N. N., Guryeva P. V. CVD graphene sheets electrochemically decorated with «core-shell» Co/CoO nanoparticles // Appl. Surf. Sci. 2018. V. 440. P. 1252—1260. DOI: 10.1016/j.apsusc.2018.01.245

10. Tuček J., Sofer Z., Bouša D., Pumera M., Holá K., Malá A., Poláková K., Havrdová M., Čépe K., Tomanec O., Zbořil R. Air-stable superparamagnetic metal nanoparticles entrapped in graphene oxide matrix // Nature Commun. 2016. V. 7. P. 12879. DOI: 10.1038/ncomms12879

11. Zhidkov I. S., Skorikov N. A., Korolev A. V., Kukharenko A. I., Kurmaev E. Z., Fedorov V. E., Cholakh S. O. Electronic structure and magnetic properties of graphene/Co composite // Сarbon. 2015. V. 91. P. 298—303. DOI: 10.1016/j.carbon.2015.04.086

12. Sokolik A. A., Zabolotskiy A. D., Lozovik Yu. E. Many-body effects of Coulomb interaction on Landau levels in graphene // Phys. Rev. B. 2017. V. 95, Iss. 12. P. 125402-1—4. DOI: 10.1103/PhysRevB.95.125402

13. Majumder C., Bhattacharya S., Saha S. K. Anomalous large negative magnetoresistance in transition-metal decorated graphene: Evidence for electron-hole puddles // Phys. Rev. B. 2019. V. 99, Iss. 4. P. 045408-1—13. DOI: 10.1103/PhysRevB.99.045408

14. Fedotov А. K., Prischepa S. L., Fedotova J. A., Bayev V. G., Ronassi A. A., Komissarov I. V., Kovalchuk N. G., Vorobyova S. A., Ivashkevich O. A. Electrical conductivity and magnetoresistance in twisted graphene electrochemically decorated with Co particles // Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures. 2020. V. 117. P. 113790. DOI: 10.1016/j.physe.2019.113790

15. Jobst J., Waldmann D., Gornyi I. V., Mirlin A. D., Weber H. B. Electron-electron interaction in the magnetoresistance of graphene // Phys. Rev. Lett. 2012. V. 108, Iss. 10. P. 106601. DOI: 10.1103/PhysRevLett.108.106601

16. Morozov S. V., Novoselov K. S., Katsnelson M. I., Schedin F., Ponomarenko L. A., Jiang D., Geim A. K. Strong suppression of weak localization in graphene // Phys. Rev. Lett. 2006. V. 97, Iss. 1. P. 016801-1—4. DOI: 10.1103/PhysRevLett.97.016801

17. Gorbachev R. V., Tikhonenko F. V., Mayorov A. S., Horsell D. W., Savchenko A. K. Weak localization in bilayer grapheme // Phys. Rev. Lett. 2007. V. 98, Iss. 17. P. 176805-1—4. DOI: 10.1103/PhysRevLett.98.176805

18. Kechedzhi K., McCann E., Fal’ko V. I., Suzuura H., Ando T., Altshuler B. L. Weak localization in monolayer and bilayer grapheme // Eur. Phys. J. Spec. 2007. V. 148. P. 39—54. DOI: 10.1140/epjst/e2007-00224-6

19. Shlimak I., Butenko A. V., Zion E., Richter V., Kaganovski Yu., Wolfson L., Sharoni A., Haran A., Naveh D., Kogan E., Kaveh D. Structure and electron transport in irradiated monolayer graphene / In: Future Trends in Electronics: Journey into Unknown. John Wiley & Sons, Inc.: Hoboken (New Jersey), 2016. P. 217—231. DOI: 10.1002/9781119069225.ch2-9

20. Shlimak I., Haran A., Zion E., Havdala T., Kaganovskii Yu., Butenko A. V., Wolfson L., Richter V., Naveh D., Sharoni A., Kogan E., Kaveh M. Raman scattering and electrical resistance of highly disordered graphene // Phys. Rev. 2015. V. 91, Iss. 4. P. 045414-1—4. DOI: 10.1103/PhysRevB.91.045414

21. Shlimak I., Zion E., Butenko A. V., Wolfson L., Richter V., Kaganovskii Yu., Sharoni A., Haran A., Naveh D., Kogan E., Kaveh M. Hopping magnetoresistance in ion irradiated monolayer graphene // Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures. 2016. V. 76. P. 158—163. DOI: 10.1016/j.physe.2015.10.025

22. Isacsson A., Cummings A. W., Colombo L., Colombo L., Kinaret J. M., Roche S. Scaling properties of polycrystalline graphene: a review // 2D Mater. 2017. V. 4, Iss. 1. P. 012002-1—13. DOI: 10.1088/2053-1583/aa5147

23. Huang P. Y., Ruiz-Vargas C. S., van der Zande A. M., Whitney W. S., Levendorf M. P., Kevek J. W., Garg S., Alden J. S., Hustedt C. J., Zhu Y., Park J., McEuen P. L., Muller D. A. Grains and grain boundaries in single-layer graphene atomic patchwork quilts // Nature. 2011. V. 469. P. 389—392. DOI: 10.1038/nature09718

24. Wang C., Wang J., Barber A. H. Stress concentrations in nanoscale defective grapheme // AIP Advance. 2017. V. 7, Iss. 11. P. 115001. DOI: 10.1063/1.4996387

25. Lebedev A. A., Agrinskaya N. V., Lebedev S. P., Mynbaeva M. G., Petrov V. N., Smirnov A. N., Strel’chuk A. M., Titkov A. N., Shamshur D. V. Low-temperature transport properties of multigraphene films grown on the SiC surface by sublimation // Semiconductors. 2011. V. 45. P. 623—627. DOI: 10.1134/S1063782611050186

26. Ramnani P., Neupane M. R., Ge S., Balandin A. A., Lake R. K., Mulchandani A. Raman spectra of twisted CVD bilayer grapheme // Carbon. 2017. V. 123. P. 302—306. DOI: 10.1016/j.carbon.2017.07.064

27. Altshuler B. L., Aronov A. G., Khmelnitsky D. E. Effects of electron-electron collisions with small energy transfers on quantum localisation // J. Phys. C: Solid State Phys. 1982. V. 15, N 36. P. 7367—7386. DOI: 10.1088/0022-3719/15/36/018

28. Shklovskii B. I., Efros A. L. Electronic properties of doped semiconductors. Springer Series in Solid-State Sciences. V. 45. Berlin; Heidelberg: Springer-Verlag, 1984. 388 p. DOI: 10.1007/978-3-662-02403-4

29. Shklovskii B. I. Hopping conductivity of semiconductors in strong magnetic fields // JETP. 1972. V. 34, N 5. P. 1084 —1088. URL: http://www.jetp.ac.ru/cgi-bin/dn/e_034_05_1084.pdf

30. Mikoshiba N. Weak-field magnetoresistance of hopping conduction in simple semiconductors // J. Phys. Chem. Solids. 1963. V. 24, Iss. 3. P. 341—346. DOI: 10.1016/0022-3697(63)90192-6

31. Bayev V., Fedotova J., Humennik U., Vorobyova S., Konakow A., Fedotov A., Svito I., Rybin M., Obraztsova E. Modification of electric transport properties of CVD graphene by electrochemical deposition of cobalt nanoparticles // Intern. J. Nanoscience. 2019. V. 18, N 03n04. P. 1940041-1—4. DOI: 10.1142/S0219581X19400416

32. Solin S. A., Tineke Thio, Hines D. R., Heremans J. J. Enhanced room-temperature geometric magnetoresistance in inhomogeneous narrow-gap semiconductors // Science. 2000. V. 289, Iss. 5484. P. 1530—1532. DOI: 10.1126/science.289.5484.1530

33. Komissarov I. V., Kovalchuk N. G., Labunov V. A., Girel K. V., Korolik O. V., Tivanov M. S., Lazauskas A., Andrulevičius M., Tamulevičius T., Grigaliūnas V., Meškinis Š., Tamulevičius S., Prischepa S. L. Nitrogen-doped twisted graphene grown on copper by atmospheric pressure CVD from a decane precursor // Beilstein J. Nanotechnol. 2017. V. 8. P. 145—158. DOI: 10.3762/bjnano.8.15

34. Kovalchuk N. G., Nigerish K. A., Mikhalik M. M., Kargin N. I., Komissarov I. V., Prischepa S. L. Possibility of determining the graphene doping level using Raman spectra // J. Appl. Spectrosc. 2018. V. 84. P. 995—998. DOI: 10.1007/s10812-018-0576-x

35. Chung T.-F., Xu Y., Chen Y. P. Transport measurements in twisted bilayer graphene: Electron-phonon coupling and Landau level crossing // Phys. Rev. B. 2018. V. 98, Iss. 3. P. 035425. DOI: 10.1103/PhysRevB.98.035425

36. Shih C.-J., Vijayaraghavan A., Krishnan R., Sharma R., Han J.-H., Ham M.-H., Jin Z., Lin S., Paulus G. L. C., Reuel N. F., Wang Q. H., Blankschtein D., Strano M. S. Bi- and trilayer graphene solutions // Nat. Nanotechnol. 2011. V. 6, Iss. 7. P. 439—445. DOI: 10.1038/nnano.2011.94

37. Pudalov V. M. Metallic conduction, apparent metal-insulator transition and related phenomena in two-dimensional electron liquid / In: Proceedings of the International School of Physics «Enrico Fermi». V. 157: The Electron Liquid Paradigm in Condensed Matter Physics. IOS Press, 2004. P. 335—356. DOI: 10.3254/978-1-61499-013-0-335

38. Tikhonenko F. V., Horsell D. W., Gorbachev R. V., Savchenko A. K. Weak localization in graphene flakes // Phys. Rev. Lett. 2008. V. 100, Iss. 5. P. 056802. DOI: 10.1103/PhysRevLett.100.056802

39. McCann E., Kechedzhi K., Fal’ko V. I., Suzuura H., Ando T., Altshuler B. L. Weak-localization magnetoresistance and valley symmetry in graphene // Phys. Rev. Lett. 2006. V. 97, Iss. 14. P. 146805. DOI: 10.1103/PhysRevLett.97.146805

40. Kechedzhi K., Fal’ko V. I., McCann E., Altshuler B. L. Influence of trigonal warping on interference effects in bilayer graphene // Phys. Rev. Lett. 2007. V. 98, Iss. 17. P. 176806. DOI: 10.1103/PhysRevLett.98.176806

41. Tikhonenko F. V., Kozikov A. A., Savchenko A. K., Gorbache R. V. Transition between electron localization and antilocalization in graphene // Phys. Rev. Lett. 2009. V. 103, Iss. 22. P. 226801-1—4. DOI: 10.1103/PhysRevLett.103.226801

42. Araujo E. N. D., Brant J. C., Archanjo B. S., Medeiros-Ribeiro G., Alves E. S. Quantum corrections to conductivity in graphene with vacancies // Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures. 2018. V. 100. P. 40—44. DOI: 10.1016/j.physe.2018.02.025

43. Бонч-Бруевич В. Л., Калашников С. Г. Физика полупроводников. М.: Наука, 1977. 672 с.