Tailoring the electronic states of the dielectric oxide/diamond interface is critical to the development of next generation semiconductor devices like high-power high-frequency field-effect transistors. In this work, we investigate the electronic states of the TiO2/diamond 2 × 1–(100) interface by using first principles total energy calculations. Based on the calculation of the chemical potentials for the TiO2/diamond interface, it is observed that the hetero-interfaces with the C-OTi configuration or with two O vacancies are the most energetically favorable structures under the O-rich condition and under Ti-rich condition, respectively. The band structure and density of states of both TiO2/diamond and TiO2/H-diamond hetero-structures are calculated. It is revealed that there are considerable interface states at the interface of the anatase TiO2/diamond hetero-structure. By introducing H on the diamond surface, the interface states are significantly suppressed. A type-II alignment band structure is disclosed at the interface of the TiO2/diamond hetero-structure. The valence band offset increases from 0.6 to 1.7 eV when H is introduced at the TiO2/diamond interface.

1.
D.
Liu
,
H. R.
Sun
,
J. W.
Pomeroy
,
D.
Francis
,
F.
Faili
,
D. J.
Twitchen
, and
M.
Kuball
,
Appl. Phys. Lett.
107
,
251902
(
2015
).
2.
E.
Monroy
,
F.
Omnès
, and
F.
Calle
,
Semicond. Sci. Technol.
18
,
R33
(
2003
).
3.
M. Y.
Liao
,
L. W.
Sang
,
T.
Teraji
,
M.
Imura
,
J.
Alvarez
, and
Y.
Koide
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
51
,
090115
(
2012
).
4.
M.
Schmitt
,
D.
Paulmier
, and
T. L.
Huu
,
Thin Solid Films
343–344
,
226
(
1999
).
5.
A.
BenMoussa
,
A.
Soltani
,
U.
Schühle
,
K.
Haenen
,
Y. M.
Chong
,
W. J.
Zhang
,
R.
Dahal
,
J. Y.
Lin
,
H. X.
Jiang
,
H. A.
Barkad
,
B.
BenMoussa
,
D.
Bolsee
,
C.
Hermans
,
U.
Kroth
,
C.
Laubis
,
V.
Mortet
,
J. C.
De Jaeger
,
B.
Giordanengo
,
M.
Richter
,
F.
Scholze
, and
J. F.
Hochedez
,
Diamond Relat. Mater.
18
,
860
(
2009
).
6.
J.
Isberg
,
J.
Hammersberg
,
E.
Johansson
,
T.
Wikstrom
,
D. J.
Twitchen
,
A. J.
Whitehead
,
S. E.
Coe
, and
G. A.
Scarsbrook
,
Science
297
,
1670
(
2002
).
7.
M.
Kasu
,
K.
Ueda
,
Y.
Yamauchi
,
A.
Tallaire
, and
T.
Makimoto
,
Diamond Relat. Mater.
16
,
1010
(
2007
).
8.
C. E.
Nebel
,
C.
Sauerer
,
F.
Ertl
,
M.
Stutzmann
,
C. F. O.
Graeff
,
P.
Bergonzo
,
O. A.
Williams
, and
R.
Jackman
,
Appl. Phys. Lett.
79
,
4541
(
2001
).
9.
H.
Kawarada
,
H.
Tsuboi
,
T.
Naruo
,
T.
Yamada
,
D.
Xu
,
A.
Daicho
,
T.
Saito
, and
A.
Hiraiwa
,
Appl. Phys. Lett.
105
,
013510
(
2014
).
10.
K.
Takahashi
,
M.
Imamura
, and
K.
Hirama
,
Appl. Phys. Lett.
104
,
072101
(
2014
).
11.
M.
Imura
,
R.
Hayakawa
,
E.
Watanabe
,
M. Y.
Liao
,
Y.
Koide
, and
H.
Amano
,
Phys. Status Solidi RRL
5
,
125
(
2011
).
12.
K.
Hirama
,
H.
Sato
,
Y.
Harada
,
H.
Yamamoto
, and
M.
Kasu
,
Jpn. J. Appl. Phys.
51
,
090112
(
2012
).
13.
J. W.
Liu
,
M. Y.
Liao
,
M.
Imura
,
A.
Tanaka
,
H.
Iwai
, and
Y.
Koide
,
Sci. Rep.
4
,
6395
(
2014
).
14.
J.
Zhao
,
J. W.
Liu
,
L. W.
Sang
,
M. Y.
Liao
,
D.
Coathup
,
M.
Imura
,
B. G.
Shi
,
C. Z.
Gu
,
Y.
Koide
, and
H. T.
Ye
,
Appl. Phys. Lett.
108
,
012105
(
2016
).
15.
D.
Wei
,
T.
Hossain
,
N. Y.
Garces
,
N.
Nepal
,
H. M.
Meyer III
,
M. J.
Kirkham
,
C. R.
Eddy
, and
J. H.
Edgar
,
ECS J. Solid State Sci. Technol.
2
,
N110
(
2013
).
16.
S. W.
Wright
,
C. P.
Judge
,
M. J.
Lee
,
D. F.
Bowers
,
F.
Derek
,
M.
Dunbar
,
C. D.
Wilson
, and
D.
Craig
,
J. Vac. Sci. Technol. B
30
,
062202
(
2012
).
17.
A.
Idris
and
Z.
Majidnia
,
Appl. Mech. Mater.
606
,
99
(
2014
).
18.
K. P.
Wu
,
J. D.
Ye
,
K.
Tang
,
J.
Qi
,
S. M.
Zhu
, and
S. L.
Gu
,
Comput. Mater. Sci.
109
,
225
(
2015
).
19.
G.
Kresse
and
J.
Furthmüller
,
Comput. Mater. Sci.
6
,
15
(
1996
).
20.
P.
Hohenberg
and
W.
Kohn
,
Phys. Rev.
136
,
B864
(
1964
);
W.
Kohn
and
L. J.
Sham
,
Phys. Rev.
140
,
A1133
(
1965
).
21.
T.
Qi
,
I.
Grinberg
, and
A. M.
Rappe
,
Phys. Rev. B
83
,
224108
(
2011
).
22.
J. P.
Perdew
,
K.
Burke
, and
M.
Ernzerhof
,
Phys. Rev. Lett.
77
,
3865
(
1996
).
23.
P. T.
Xu
,
Q.
Tang
, and
Z.
Zhou
,
Nanotechnology
24
,
305401
(
2013
).
24.
H. J.
Monkhorst
and
J. D.
Pack
,
Phys. Rev. B
13
,
5188
(
1976
).
25.
L.
Bengtsson
,
Phys. Rev. B
59
,
12301
(
1999
).
26.
Z. Y.
Li
,
J. L.
Yang
,
J. G.
Hou
, and
Q. S.
Zhu
,
Phys. Rev. B
65
,
100507
(
2002
).
27.
O.
Romanyuk
,
T.
Hannappel
, and
F.
Grosse
,
Phys. Rev. B
88
,
115312
(
2013
).
28.
O.
Romanyuk
,
O.
Supplie
,
T.
Susi
,
M. M.
May
, and
T.
Hannappel
,
Phys. Rev. B
94
,
155309
(
2016
).
29.
P.
Knauth
and
H. L.
Tuller
,
J. Appl. Phys.
85
,
897
(
1999
).
30.
H.
Seo
,
A. B.
Posadas
,
C.
Mitra
,
A. V.
Kvit
,
J.
Ramdani
, and
A. A.
Demkov
,
Phys. Rev. B
86
,
075301
(
2012
).
31.
J.
van der Weide
,
Z.
Zhang
,
P. K.
Baumann
,
M. G.
Wensell
,
J.
Bernholc
, and
R. J.
Nemanich
,
Phys. Rev. B
50
,
5803
(
1994
).
32.
J.
Furthmüller
,
J.
Hafner
, and
G.
Kresse
,
Phys. Rev. B
53
,
7334
(
1996
).
33.
S. J.
Sque
,
R.
Jones
, and
P. R.
Briddon
,
Phys. Rev. B
73
,
085313
(
2006
).
34.
M. M.
Hassan
and
K.
Larsson
,
J. Phys. Chem. C
118
,
22995
(
2014
).
35.
J.
Ristein
,
W.
Stein
, and
L.
Ley
,
Phys. Rev. Lett.
78
,
1803
(
1997
).
36.
A. K.
Tiwari
,
J. P.
Goss
,
P. R.
Briddon
,
A. B.
Horsfall
,
N. G.
Wright
,
R.
Jones
, and
M. J.
Rayson
,
Europhys. Lett.
108
,
46005
(
2014
).
37.
E.
Flage-Larsen
,
O. M.
Løvvik
,
C. M.
Fang
, and
G.
Kresse
,
Phys. Rev. B
88
,
165310
(
2013
).
38.
S.
Gudmundsdóttir
,
W. J.
Tang
,
G.
Henkelman
,
H.
Jónsson
, and
E.
Skúlason
,
J. Chem. Phys.
137
,
164705
(
2012
).
39.
K. P.
Wu
,
J.
Qi
,
B.
Peng
,
K.
Tang
,
J. D.
Ye
,
S. M.
Zhu
, and
S. L.
Gu
,
Acta Phys. Sin.
64
,
0187304
(
2015
).
40.
C. G. V.
de Valle
and
R. M.
Martin
,
Phys. Rev. B
35
,
8154
(
1987
).
41.
X.
Chen
and
S. S.
Mao
,
Chem. Rev.
107
,
2891
(
2007
).
42.
43.
D. O.
Scanlon
,
C. W.
Dunnill
,
J.
Buckeridge
,
S. A.
Shevlin
,
A. J.
Logsdail
,
S. M.
Woodley
,
C. R. A.
Catlow
,
M. J.
Powell
,
R. G.
Palgrave
,
I. P.
Parkin
,
G. W.
Watson
,
T. W.
Keal
,
P.
Sherwood
,
A.
Walsh
, and
A. A.
Sokol
,
Nat. Mater.
12
,
798
(
2013
).
44.
F.
Maier
,
J.
Ristein
, and
L.
Ley
,
Phys. Rev. B
64
,
165411
(
2001
).
You do not currently have access to this content.