Влияние наночастиц Co–CoO на концентрацию носителей заряда в гибридной структуре на основе однослойного CVD графена

Изучено влияние осажденных агрегированных наночастиц Co–CoO со средним диаметром 160 нм на концентрацию носителей заряда и механизмы их транспорта в гибридных структурах Co–CoO/графен/SiO₂. Структуры получены электрохимическим осаждением наночастиц кобальта на поверхность однослойного CVD-графена в реверсивном гальваностатическом режиме из электролита, содержащего смесь CoSO₄∙6H₂O (1,25 г/л) и NaCl (0,064 г/л), при катодном токе плотностью 2,5 мА/см² и анодном токе плотностью 1,25 мА/см². Показано, что осаждение наночастиц Co–CoO приводит к почти двукратному снижению проводимости структуры. Возникновение этого эффекта может быть обусловлено исключению из процесса транспорта носителей части собственных дефектов графена в изучаемой структуре.

Обнаружено сосуществование механизмов квантовых поправок (КП) к друдевской проводимости в условиях слабой локализации и обычной зонной (активационной) проводимости. Доминирование КП в проводимости как до, так и после осаждения частиц Co–CoO, а также снижение после осаждения частиц значения предэкспоненциального фактора σ_a0, включенного в активационный механизм, с 2,8∙10^-4 до 3,1∙10^-5 См.

1. Wehrfritz P., Seyller T. The Hall coefficient: a tool for characterizing graphene field effect transistors. 2D Materials. 2014; 1(3): 035004. https://doi.org/10.1088/2053-1583/1/3/035004

2. Brus V.V., Lang F., Fengler St., Dittrich Th., Rappich J., Nickel N.H. Doping effects and charge-transfer dynamics at hybrid perovskite/graphene interfaces. Advanced Materials Interfaces. 2018; 5(20): 1800826. https://doi.org/10.1002/admi.201800826

3. Moon J.S., Curtis D., Ddd D., Wong D., McGuire C., Campbell P.M., Jernigan G., Tedesco J.L., VanMil B.L., Myers R.L., Eddy C.Jr., Gaskill D.K. Epitaxial-graphene RF field-effect transistors on Si-face 6H-SiC substrates. IEEE Electron Device Letters. 2009; 30(6): 650—652. https://doi.org/10.1109/LED.2009.2020699

4. Lin Y.-M., Dimitrakopoulos Ch., Jenkins K.A., Farmer D.B., Chiu Hs.-Y., Grill A., Avouris Ph. 100-GHz transistors from wafer-scale epitaxial grapheme. Science. 2010; 327(5966): 662—662. https://doi.org/10.1126/science.1184289

5. Guo Z., Dong R., Chakraborty P.S., Lourenco N., Palmer J., Hu Y., Ruan M., Hankinson J., Kunc J., Cressler J.D., Berger Cl., de Heer W.A. Record maximum oscillation frequency in C-face epitaxial graphene transistors. Nano Letters. 2013; 13(3): 942—947. https://doi.org/10.1021/nl303587r

6. Yang X., Zhang X., Ma Y., Huang Y., Wang Y., Chen Y. Superparamagnetic graphene oxide–Fe3O4 nanoparticles hybrid for controlled targeted drug carriers. Journal of Materials Chemistry. 2009; 19(18): 2710—2714. https://doi.org/10.1039/B821416F

7. Wang D., Kou R., Choi D., Yang Zh., Nie Z., Li J., Saraf L., Hu D., Zhang J.T., Graff G.L., Liu W.J., Pope M.A., Aksay I.A Ternary self-assembly of ordered metal oxide-graphene nanocomposites for electrochemical energy storage. ACS Nano. 2010; 4(3): 1587—1595. https://doi.org/10.1021/nn901819n

8. Li F., Song J., Yang H., Gan Sh., Zhang Q., Han D., Ivaska A., Niu L. One-step synthesis of graphene/SnO2 nanocomposites and its application in electrochemical supercapacitors. Nanotechnology. 2009; 20(45): 455602. http://doi.org/10.1088/0957-4484/20/45/455602

9. Watcharotone S., Dikin D.A., Stankovich S., Piner R., Jung I., Dommett G.H.B., Evmenenko G., Wu Sh.-E., Chen Sh.-F., Liu Ch.-P., Nguyen S., Ruoff R. Graphene-silica composite thin films as transparent conductors. Nano Letters. 2007; 7(7): 1888—1892. https://doi.org/10.1021/nl070477

10. Rengaraj A., Haldorai Y., Cheol B., Kwak H., Ahn S., Jeon K.-J., Park S.H., Han Y.-K., Huh Y.S. Electrodeposition of flower-like nickel oxide on CVD-grown graphene to develop an electrochemical non-enzymatic biosensor. Journal of Materials Chemistry B. 2015; 3(30): 6301—6309. https://doi.org/10.1039/C5TB00908A

11. Zhang C., Lee B.-J., Li H., Samdani J.Sh., Kang T.-H., Yu J.-S. Catalytic mechanism of graphene-nickel interface dipole layer for binder free electrochemical sensor applications. Communications Chemistry. 2018; 1(1): 94. https://doi.org/10.1038/s42004-018-0088-x

12. Qin X., Ola O., Zhao J., Yang Z., Tiwari S.K., Wang N., Zhu Y. Recent progress in graphene-based electrocatalysts for hydrogen evo-lution reaction. Nanomaterials. 2022; 12(11): 1806. https://doi.org/10.3390/nano12111806

13. Yang M., Liu Y., Fan T., Zhang D. Metal-graphene interfaces in epitaxial and bulk systems: A review. Progress in Materials Science. 2020; 110: 100652. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2020.100652

14. Rajyalakshmi T., Pasha A., Khasim S., Lakshmi M., Imran M. Synthesis, characterization and Hall-effect studies of highly conductive polyaniline/graphene nanocomposites. SN Applied Sciences. 2020; 2(4): 1—11. https://doi.org/10.1007/s42452-020-2349-4

15. Asshoff P.U., Sambricio J.L., Rooney A., Slizovskiy S., Mishchenko A., Rakowski A.M., Hill E., 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 grapheme. 2D Materials. 2017; 4(3): 031004. https://doi.org/10.1088/2053-1583/aa7452

16. Franco V.C.D., Castro G.M.B., González J.T.C., 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 Letters. 2017; 21(1): 16—22. https://doi.org/10.5714/CL.2017.21.016

17. Zhidkov I.S., Skorikov N., Korolev A., Kukharenko A.I., Kurmaev E., Fedorov V.E., Cholakh S.O. Electronic structure and magnetic properties of graphene/Co composite. Carbon. 2015; 91: 298—303. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2015.04.086

18. Bayev V.G., Fedotova J., Kasiuk J., Vorobyova S., Sohor A., Komissarov I., Kovalchuk N., Prischepa S.L., Kargin N.I., Andrulevičius M., Przewoznik J., Kapusta Cz., Ivashkevich O.A., Tyutyunnikov S.I., Kolobylina N., Guryeva P.V. CVD graphene sheets electrochemically decorated with “core-shell” Co/CoO nanoparticles. Applied Surface Science. 2018; 440; 1252—1260. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2018.01.245

19. Федотов А.К., Прищепа С.Л., Федотов А.С., Гуменник В.Э., Комиссаров И.В., Конаков А.О., Воробьева С.А., Ивашкевич О.А., Харченко А.А. Влияние осаждения частиц кобальта на квантовые поправки к проводимости Друде в твистированном CVD графене. Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники. 2019; 22(2): 73—83. https://doi.org/10.17073/1609-3577-2019-2-73-83

20. So H.M., Mun J.-H., Bang G.-S., Kim T.-Y., Cho B.-J., Ahn Ch.W. Identifying and quantitating defects on chemical vapor deposition grown graphene layers by selected electrochemical deposition of Au nanoparticles. Carbon Letters. 2012; 13(1): 56—59. http://doi.org/10.5714/CL.2012.13.1.056

21. Федотова Ю.А., Харченко А.А., Федотов А.К., Чичков М.В., Малинкович М.Д., Конаков А.О., Воробьева С.А., Касюк Ю.В., Гуменник В.Э., Kula-Maximenko M., Mitura-Nowak M., Максименко А., Przewoznik J., Kapusta Cz. Влияние магнитных частиц Co–CoO на свойства электропереноса в однослойном графене. Физика твердого тела. 2020; 62(2): 316—325. https://doi.org/10.1134/S1063783420020134

22. Федотова Ю.А., Харченко А.А., Федотов А.К., Чичков М.В., Малинкович В.Д., Конаков А.О., Воробьева С.А. Магнитотранспортные свойства однослойного CVD-графена с наночастицами Co–CoO в поперечном электрическом поле. В кн.: Фуллерены и наноструктуры в конденсированных средах. Минск: Институт тепло- и массообмена им. А. В. Лыкова НАН Беларуси; 2023. С. 342—348.

23. Полянская Т.А., Шмарцев Ю.В. Квантовые поправки к проводимости в полупроводниках с двумерным и трехмерным электронным газом. Эксперимент. Физика и техника полупроводников. 1989; 23(1): 3—32.

24. Харченко А.А., Федотова Ю.А., Слабухо В.Ю., Федотов А.К., Пашкевич А.В., Свито И.А., Бушинский М.В. Электрические и гальваномагнитные свойства монокристаллов черного фосфора. Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники. 2022; 25(1): 5—22. https://doi.org/10.17073/1609-3577-2022-1-5-22

25. Pippard A.B. Magnetoresistance in metals. UK: Cambridge University Press; 1989. Vol. 2. 253 p.