We report a first-principles study of the structural and electronic properties of two-dimensional (2D) layer/hydrogen-terminated diamond (100) heterostructures. Both the 2D layers exhibit weak van-der-Waals (vdW) interactions and develop rippled configurations with the H-diamond (100) substrate to compensate for the induced strain. The adhesion energy of the hexagonal boron nitride (hBN) layer is slightly higher, and it exhibits a higher degree of rippling compared to the graphene layer. A charge transfer analysis reveals a small amount of charge transfer from the H-diamond (100) surface to the 2D layers, and most of the transferred charge was found to be confined within the vdW gap. In the graphene/H-diamond (100) heterostructure, the semi-metallic characteristic of the graphene layer is preserved. On the other hand, the hBN/H-diamond (100) heterostructure shows semiconducting characteristics with an indirect bandgap of 3.55 eV, where the hBN layer forms a Type-II band alignment with the H-diamond (100) surface. The resultant conduction band offset and valence band offset are 0.10 eV and 1.38 eV, respectively. A thin layer of hBN offers a defect-free interface with the H-diamond (100) surface and provides a layer-dependent tunability of electronic properties and band alignment for surface-doped diamond field effect transistors.

1.
J.
Isberg
,
J.
Hammersberg
,
E.
Johansson
,
T.
Wikström
,
D. J.
Twitchen
,
A. J.
Whitehead
,
S. E.
Coe
, and
G. A.
Scarsbrook
,
Science
297
,
1670
(
2002
).
2.
M.
Kasu
,
K.
Ueda
,
H.
Kageshima
, and
Y.
Yamauchi
,
Diamond Relat. Mater.
17
,
741
(
2008
).
3.
E.
Kohn
and
A.
Denisenko
,
Thin Solid Films
515
,
4333
(
2007
).
4.
F.
Maier
,
M.
Riedel
,
B.
Mantel
,
J.
Ristein
, and
L.
Ley
,
Phys. Rev. Lett.
85
,
3472
(
2000
).
5.
P.
Strobel
,
M.
Riedel
,
J.
Ristein
, and
L.
Ley
,
Nature
430
,
439
(
2004
).
6.
M. T.
Edmonds
,
C. I.
Pakes
,
S.
Mammadov
,
W.
Zhang
,
A.
Tadich
,
J.
Ristein
, and
L.
Ley
,
Appl. Phys. Lett.
98
,
102101
(
2011
).
8.
Z.
Yin
,
M.
Tordjman
,
Y.
Lee
,
A.
Vardi
,
R.
Kalish
, and
J. A.
Del Alamo
,
Sci. Adv.
4
,
eaau0480
(
2018
).
9.
M.
Kasu
,
M.
Kubovic
,
A.
Aleksov
,
N.
Teofilov
,
Y.
Taniyasu
,
R.
Sauer
,
E.
Kohn
,
T.
Makimoto
, and
N.
Kobayashi
,
Diamond Relat. Mater.
13
,
226
(
2004
).
10.
Y.
Yang
,
F. A.
Koeck
,
M.
Dutta
,
X.
Wang
,
S.
Chowdhury
, and
R. J.
Nemanich
,
J. Appl. Phys.
122
,
155304
(
2017
).
11.
S. A. O.
Russell
,
L.
Cao
,
D.
Qi
,
A.
Tallaire
,
K. G.
Crawford
,
A. T. S.
Wee
, and
D. A. J.
Moran
,
Appl. Phys. Lett.
103
,
202112
(
2013
).
12.
K. G.
Crawford
,
L.
Cao
,
D.
Qi
,
A.
Tallaire
,
E.
Limiti
,
C.
Verona
,
A. T. S.
Wee
, and
D. A. J.
Moran
,
Appl. Phys. Lett.
108
,
042103
(
2016
).
13.
K. G.
Crawford
,
J. D.
Weil
,
P. B.
Shah
,
D. A.
Ruzmetov
,
M. R.
Neupane
,
K.
Kingkeo
,
A. G.
Birdwell
, and
T. G.
Ivanov
,
IEEE Trans. Electron Devices
67
,
2270
(
2020
).
14.
Y.
Sasama
,
K.
Komatsu
,
S.
Moriyama
,
M.
Imura
,
T.
Teraji
,
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
,
T.
Uchihashi
, and
Y.
Takahide
,
APL Mater.
6
,
111105
(
2018
).
15.
H.
Kawarada
,
T.
Yamada
,
D.
Xu
,
H.
Tsuboi
,
Y.
Kitabayashi
,
D.
Matsumura
,
M.
Shibata
,
T.
Kudo
,
M.
Inaba
, and
A.
Hiraiwa
,
Sci. Rep.
7
,
42368
(
2017
).
16.
L.
Colalongo
,
M.
Valdinoci
,
G.
Baccarani
,
P.
Migliorato
,
G.
Tallarida
, and
C.
Reita
,
Solid-State Electron.
41
,
627
(
1997
).
17.
A.
Alnuaimi
,
K.
Islam
, and
A.
Nayfeh
,
Sol. Energy
98
,
236
(
2013
).
18.
Y.
Sasama
,
K.
Komatsu
,
S.
Moriyama
,
M.
Imura
,
S.
Sugiura
,
T.
Terashima
,
S.
Uji
,
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
,
T.
Uchihashi
, and
Y.
Takahide
,
Phys. Rev. Mater.
3
,
121601
(
2019
).
19.
Z.
Ren
,
D.
Lv
,
J.
Xu
,
J.
Zhang
,
J.
Zhang
,
K.
Su
,
C.
Zhang
, and
Y.
Hao
,
Appl. Phys. Lett.
116
,
013503
(
2020
).
20.
G.
Daligou
and
J.
Pernot
,
Appl. Phys. Lett.
116
,
162105
(
2020
).
21.
C.
Wild
,
R.
Kohl
,
N.
Herres
,
W.
Muller-Sebert
, and
P.
Koidl
,
Diamond Relat. Mater.
3
,
373
(
1994
).
22.
G.
Bogdan
,
M.
Nesladek
,
J.
D'Haen
,
K.
Haenen
, and
M.
D'Olieslaeger
,
Diamond Relat. Mater.
15
,
508
(
2006
).
23.
T.
Frauenheim
,
U.
Stephan
,
P.
Blaudeck
, and
D.
Porezag
,
Phys. Rev. B
48
,
18189
(
1993
).
24.
Y. M.
Wang
,
K. W.
Wong
,
S. T.
Lee
,
M.
Nishitani-Gamo
,
I.
Sakaguchi
,
K. P.
Loh
, and
T.
Ando
,
Diamond Relat. Mater.
9
,
1582
(
2000
).
25.
M.
Kasu
,
K.
Ueda
,
H.
Ye
,
Y.
Yamauchi
, and
S.
Sasaki
,
Electron. Lett.
41
,
1249
(
2005
).
26.
K.
Hirama
,
S.
Miyamoto
,
H.
Matsudaira
,
K.
Yamada
, and
H.
Kawaradaa
,
Appl. Phys. Lett.
88
,
112117
(
2006
).
27.
M.
Kasu
,
K.
Ueda
,
Y.
Yamauchi
,
A.
Tallaire
, and
T.
Makimoto
,
Diamond Relat. Mater.
16
,
1010
(
2007
).
28.
P. B.
Shah
,
J.
Weil
,
A. G.
Birdwell
, and
T.
Ivanov
,
MRS Advances
2
(
41
),
2235
2240
(
2017
).
29.
M.
Attrash
,
M. K.
Kuntumalla
, and
A.
Hoffman
,
Surf. Sci.
681
,
95
(
2019
).
30.
W.
Hu
,
Z.
Li
, and
J.
Yang
,
J. Chem. Phys.
138
,
054701
(
2013
).
31.
S.
Zhao
and
K.
Larsson
,
Diamond Relat. Mater.
66
,
52
(
2016
).
32.
Y.
Ma
,
Y.
Dai
,
M.
Guo
, and
B.
Huang
,
Phys. Rev. B
85
,
235448
(
2012
).
33.
C. D.
Mendoza
,
N. S.
Figueroa
,
M. E. H.
Maia da Costa
, and
F. L.
Freire
, Jr.
,
Sci. Rep.
9
,
12547
(
2019
).
34.
F.
Varchon
,
P.
Mallet
,
J. Y.
Veuillen
, and
L.
Magaud
,
Phys. Rev. B
77
,
235412
(
2008
).
35.
D.
Selli
,
I.
Baburin
,
S.
Leoni
,
Z.
Zhu
,
D.
Tománek
, and
G.
Seifert
,
J. Phys.: Condens. Matter
25
,
435302
(
2013
).
36.
G.
Wan
,
S.
Panditharatne
,
N. A.
Fox
, and
M.
Cattelan
,
Nano Express
1
,
020011
(
2020
).
37.
T.
Yamada
,
T.
Masuzawa
,
H.
Mimura
, and
K.
Okano
,
Appl. Phys. Lett.
114
,
231601
(
2019
).
38.
W.
Hu
,
Z.
Li
, and
J.
Yang
,
J. Chem. Phys.
139
,
154704
(
2013
).
39.
H.
Tan
,
Y.
Fan
,
Y.
Rong
,
B.
Porter
,
C. S.
Lau
,
Y.
Zhou
,
Z.
He
,
S.
Wang
,
H.
Bhaskaran
, and
J. H.
Warner
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
8
,
1644
(
2016
).
40.
F.
Lin
,
S. W.
Chen
,
J.
Meng
,
G.
Tse
,
X. W.
Fu
,
F. J.
Xu
,
B.
Shen
,
Z. M.
Liao
, and
D. P.
Yu
,
Appl. Phys. Lett.
105
,
073103
(
2014
).
41.
R. H.
Miwa
,
T. M.
Schmidt
,
W. L.
Scopel
, and
A.
Fazzio
,
Appl. Phys. Lett.
99
,
163108
(
2011
).
42.
S.
Kopylov
,
A.
Tzalenchuk
,
S.
Kubatkin
, and
V. I.
Fal'Ko
,
Appl. Phys. Lett.
97
,
112109
(
2010
).
43.
U.
Monteverde
,
J.
Pal
,
M. A.
Migliorato
,
M.
Missous
,
U.
Bangert
,
R.
Zan
,
R.
Kashtiban
, and
D.
Powell
,
Carbon
91
,
266
(
2015
).
44.
J.
Zhang
,
K. P.
Ong
, and
P.
Wu
,
J. Phys. Chem. C
114
,
12749
(
2010
).
45.
C.
Park
,
L.
Yang
,
Y.
Son
,
M. L.
Cohen
, and
S. G.
Louie
,
Nat. Phys.
4
,
213
(
2008
).
46.
W.
Bao
,
F.
Miao
,
Z.
Chen
,
H.
Zhang
,
W.
Jang
,
C.
Dames
, and
C. N.
Lau
,
Nat. Nanotechnol.
4
,
562
(
2009
).
47.
L.
Huang
,
Q.
Yue
,
J.
Kang
,
Y.
Li
, and
J.
Li
,
J. Phys.: Condens. Matter
26
,
295304
(
2014
).
48.
M. A. L.
Marques
,
J.
Vidal
,
M. J. T.
Oliveira
,
L.
Reining
, and
S.
Botti
,
Phys. Rev. B
83
,
035119
(
2011
).
49.
W.
Chen
and
A.
Pasquarello
,
Phys. Rev. B
86
,
035134
(
2012
).
50.
J. Y.
Tsao
,
S.
Chowdhury
,
M. A.
Hollis
,
D.
Jena
,
N. M.
Johnson
,
K. A.
Jones
,
R. J.
Kaplar
,
S.
Rajan
,
C. G.
Van de Walle
,
E.
Bellotti
,
C. L.
Chua
,
R.
Collazo
,
M. E.
Coltrin
,
J. A.
Cooper
,
K. R.
Evans
,
S.
Graham
,
T. A.
Grotjohn
,
E. R.
Heller
,
M.
Higashiwaki
,
M. S.
Islam
,
P. W.
Juodawlkis
,
M. A.
Khan
,
A. D.
Koehler
,
J. H.
Leach
,
U. K.
Mishra
,
R. J.
Nemanich
,
R. C. N.
Pilawa-Podgurski
,
J. B.
Shealy
,
Z.
Sitar
,
M. J.
Tadjer
,
A. F.
Witulski
,
M.
Wraback
, and
J. A.
Simmons
,
Adv. Electron. Mater.
4
,
1600501
(
2018
).
51.
M.
Sun
,
J. P.
Chou
,
Q.
Ren
,
Y.
Zhao
,
J.
Yu
, and
W.
Tang
,
Appl. Phys. Lett.
110
,
173105
(
2017
).
52.
D.
Tomer
,
S.
Rajput
,
L. J.
Hudy
,
C. H.
Li
, and
L.
Li
,
Appl. Phys. Lett.
105
,
021607
(
2014
).
53.
W.
Schottky
,
Z. Phys.
113
,
367
(
1939
).
54.
N. F.
Mott
,
Proc. R. Soc. London, Ser. A
171
,
27
(
1939
).
55.
M. R.
Neupane
,
R. K.
Lake
, and
R.
Rahman
,
J. Appl. Phys.
112
,
024326
(
2012
).
56.
M.
Sun
,
J. P.
Chou
,
J.
Yu
, and
W.
Tang
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
19
,
17324
(
2017
).
57.
T.
Olsen
,
S.
Latini
,
F.
Rasmussen
, and
K. S.
Thygesen
,
Phys. Rev. Lett.
116
,
056401
(
2016
).
58.
E. V.
Calman
,
M. M.
Fogler
,
L. V.
Butov
,
S.
Hu
,
A.
Mishchenko
, and
A. K.
Geim
,
Nat. Commun.
9
,
1895
(
2018
).
59.
G.
Wang
,
A.
Chernikov
,
M. M.
Glazov
,
T. F.
Heinz
,
X.
Marie
,
T.
Amand
, and
B.
Urbaszek
,
Rev. Mod. Phys.
90
,
21001
(
2018
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.