To overcome the detrimental effect of charge transfer from a transition metal to 2D substrates like graphene, we have grown ultrathin antiferromagnetic α-Fe2O3 layers on both sides of the graphene surface. Anomalous magnetic behavior, viz., coercivity and exchange bias, increases with increasing temperature with strong ferromagnetic ordering. The highest values of coercivity and large exchange bias are obtained as 3335 Oe and 2361 Oe, respectively. Large enhancement (646%) in exchange bias is observed with an increase in temperature from 2 K to 70 K. Interlayer exchange coupling between the ferromagnetic layers becomes strongest at 300 K to achieve an ultralow coercivity of 22 Oe by growing an α-Fe2O3 phase on both sides of the graphene surface. A 32% negative magnetoresistance is observed as a result of exchange bias which changes with temperature. All these results are explained on the basis of the charge transfer effect at the interface of the graphene/α-Fe2O3 nanostructure at the low temperature region and the spin canting effect of surface states at the higher temperature region. Theoretical Density Functional Theory calculation is also done to understand the interface interaction, quantitative evaluation of charge transfer, and density of states.

1.
X.
Liu
,
C. Z.
Wang
,
Y. X.
Yao
,
W. C.
Lu
,
M.
Hupalo
,
M. C.
Tringides
, and
K. M.
Ho
,
Phys. Rev. B
83
,
235411
(
2011
).
2.
K.
Pi
,
K. M.
McCreary
,
W.
Bao
,
W.
Han
,
Y. F.
Chiang
,
Y.
Li
, and
R. K.
Kawakami
,
Phys. Rev. B
80
(
7
),
075406
(
2009
).
3.
Y. S.
Dedkov
and
M.
Fonin
,
New J. Phys.
12
,
125004
(
2010
).
4.
A. M.
Shikin
,
A. G.
Rybkin
,
D.
Marchenko
,
A. A.
Rybkina
,
M. R.
Scholz
,
O.
Rader
, and
A.
Varykhalov
,
New J. Phys.
15
,
013016
(
2013
).
5.
H.
Sevincli
,
M.
Topsakal
,
E.
Durgun
, and
S.
Ciraci
,
Phys. Rev. B
77
,
195434
(
2008
).
6.
M.
Weser
,
Y.
Rehder
,
K.
Horn
,
M.
Sicot
,
M.
Fonin
,
A. B.
Preobrajenski
,
E. N.
Voloshina
,
E.
Goering
, and
Y. S.
Dedkov
,
Appl. Phys. Lett.
96
,
012504
(
2010
).
7.
S.
Bhattacharya
,
E. M.
Kumar
,
R.
Thapa
, and
S. K.
Saha
,
Appl. Phys. Lett.
110
,
032404
(
2017
).
8.
S.
Mandal
and
S. K.
Saha
,
Nanoscale
4
,
986
(
2012
).
9.
S.
Bhattacharya
,
D.
Dinda
,
B. K.
Shaw
,
S.
Dutta
, and
S. K.
Saha
,
Phys. Rev. B
93
,
184403
(
2016
).
10.
S.
Mandal
and
S. K.
Saha
,
Appl. Phys. Lett.
105
,
022402
(
2014
).
11.
T. P.
Kaloni
,
N.
Singh
, and
U.
Schwingenschlogl
,
Phys. Rev. B
89
,
035409
(
2014
).
12.
T. P.
Kaloni
,
J. Phys. Chem. C
118
,
25200
25208
(
2014
).
13.
A. V.
Krasheninnikov
,
P. O.
Lehtinen
,
A. S.
Foster
,
P.
Pyykko
, and
R. M.
Nieminen
,
Phys. Rev. Lett.
102
,
126807
(
2009
).
14.
R. N.
Bhowmik
and
A.
Saravanan
,
J. Appl. Phys.
107
,
053916
(
2010
).
15.
N.
Amin
and
S.
Arajs
,
Phys. Rev. B
35
,
4810
(
1987
).
16.
S.-I.
Ohkoshi
 et al.,
Sci. Rep.
5
,
14414
(
2015
).
17.
S.
Mitra
,
S.
Das
,
K.
Mandal
, and
S.
Chaudhuri
,
Nanotechnology
18
,
275608
(
2007
).
18.
D.
Lin
,
P.
Kumar
,
S.
Jin
,
S.
Liu
,
Q.
Nian
, and
G. J.
Cheng
,
Appl. Surf. Sci.
351
,
148
154
(
2015
).
19.
M.
Hofmann
,
S. J.
Campbell
,
W. A.
Kaczmarek
, and
S.
Welzel
,
J. Alloys Comp.
348
,
278
(
2003
).
20.
S.
Sarkar
 et al.,
RSC Adv.
5
,
81260
81265
(
2015
).
21.
W. S.
Hummers
and
R. E.
Offeman
,
J. Am. Chem. Soc.
80
,
1339
1339
(
1958
).
22.
H. M.
Rietveld
,
J. Appl. Cryst.
2
,
65
(
1969
).
23.
D. L. A.
de Faria
and
F. N.
Lopes
,
Vib. Spectrosc.
45
,
117
121
(
2007
).
24.
H.
Zhu
,
J.
Deng
,
J.
Chen
,
R.
Yu
, and
X.
Xing
,
J. Mater. Chem. A
2
,
3008
3014
(
2014
).
25.
A.
Das
,
S.
Pisana
,
B.
Chakraborty
,
S.
Piscanec
,
S. K.
Saha
,
U. V.
Waghmare
,
K. S.
Novoselov
,
H. R.
Krishnamurthy
,
A. K.
Geim
,
A. C.
Ferrari
, and
A. K.
Sood
,
Nat. Nanotechnol.
3
,
210
(
2008
).
26.
C. N. R.
Rao
,
A. K.
Sood
,
K. S.
Subrahmanyam
, and
A.
Govindaraj
,
Angew. Chem. Int. Ed.
48
,
7752
(
2009
).
27.
B.
Das
,
R.
Voggu
,
C. S.
Rout
, and
C. N. R.
Rao
,
Chem. Commun.
41
,
5155
(
2008
).
28.
Q.
Su
,
S. P.
Pang
,
V.
Alijani
,
C.
Li
,
X. L.
Feng
, and
K.
Mullen
,
Adv. Mater.
21
,
3191
(
2009
).
29.
X. C.
Dong
,
D. L.
Fu
,
W. J.
Fang
,
Y. M.
Shi
,
P.
Chen
, and
L. J.
Li
,
Small
5
,
1422
(
2009
).
30.
G.
Konstantatos
,
M.
Badioli
,
L.
Gaudreau
,
J.
Osmond
,
M.
Bernechea
,
F. P. G.
de Arquer
,
F.
Gatti
, and
F. H. L.
Koppens
,
Nat. Nanotechnol.
7
,
363
368
(
2012
).
31.
I.
Calizo
,
A. A.
Balandin
,
W.
Bao
,
F.
Miao
, and
C. N.
Lau
,
Nano Lett.
7
,
2645
(
2007
).
32.
S.
Yang
,
C.
Wang
,
L.
Ma
,
Y.
Peng
,
Z.
Qu
,
N.
Yan
,
J.
Chen
,
H.
Chang
, and
J.
Li
,
Catal. Sci. Technol.
3
,
161
168
(
2013
).
33.
K.
Song
,
Y.
Lee
,
M. R.
Jo
,
K. M.
Nam
, and
Y. M.
Kang
,
Nanotechnology
23
,
505101
505106
(
2012
).
34.
F. L.
Souza
,
K. P.
Lopes
,
P.
Nascente
, and
E. R.
Leite
,
Sol. Energy Mater. Sol. Cells
93
,
362
368
(
2009
).
35.
R. C.
Pawar
,
Y.
Pyo
,
S. H.
Ahn
, and
C. S.
Lee
,
Appl. Catal. B
176
,
654
666
(
2015
).
36.
Y. L.
Chueh
,
M. W.
Lai
,
J. Q.
Liang
,
L. J.
Chou
, and
Z. L.
Wang
,
Adv. Funct. Mater.
16
,
2243
(
2006
).
37.
J.
Jin
,
S.
Ohkoshi
, and
K.
Hashimoto
,
Adv. Mater.
16
,
48
(
2004
).
38.
C. H.
Kim
,
H. J.
Chun
,
D. S.
Kim
,
S. Y.
Kim
,
J.
Park
,
J. Y.
Moon
,
G.
Lee
,
J.
Yoon
,
Y.
Jo
,
M. H.
Jung
,
S.
Jung
, and
C. J.
Lee
,
Appl. Phys. Lett.
89
,
223103
(
2006
).
39.
C. G.
Shull
,
W. A.
Strauser
, and
E. O.
Wollan
,
Phys. Rev.
83
,
333
(
1951
).
40.
S.
Sun
,
C. B.
Murray
,
D.
Weller
,
L.
Folks
, and
A.
Moser
,
Science
287
,
1989
(
2000
).
41.
E.
Fertman
,
S.
Dolya
,
V.
Desnenko
,
L. A.
Pozhar
,
M.
Kajnakova
, and
A.
Feher
,
J. Appl. Phys.
115
,
203906
(
2014
).
42.
X. H.
Huang
,
J. F.
Ding
,
G. Q.
Zhang
,
Y.
Hou
,
Y. P.
Yao
, and
X. G.
Li
,
Phys. Rev. B
78
,
224408
(
2008
).
43.
J. F.
Qian
,
A. K.
Nayak
,
G.
Kreiner
,
W.
Schnelle
, and
C.
Felser
,
J. Phys. D Appl. Phys.
47
,
305001
(
2014
).
44.
T. J.
Park
,
G. C.
Papaefthymiou
,
A. J.
Viescas
,
Y.
Lee
,
H.
Zhou
, and
S. S.
Wong
,
Phys. Rev. B
82
,
024431
(
2010
).
45.
J. C.
Rojas
,
S.
Anchez
,
B.
Nelson-Cheeseman
,
M.
Granada
,
E.
Arenholz
, and
L. B.
Steren
,
Phys. Rev. B
85
,
094427
(
2012
).
46.
M.
Feygenson
 et al.,
Phys. Rev. B
92
,
054416
(
2015
).
47.
F.
Pineider
 et al.,
ACS Nano
7
(
1
),
857
866
(
2013
).
48.
Z.
Li
,
C.
Jing
,
J. P.
Chen
,
S. J.
Yuan
,
S. X.
Cao
, and
J. C.
Zhang
,
Appl. Phys. Lett.
91
,
112505
(
2007
).
49.
Y.
Chen
,
D. K.
Lottis
,
E.
Dahlberg
,
J. N.
Kuznia
,
A. M.
Wowchak
, and
P. I.
Cohen
,
J. Appl. Phys.
69
,
4523
(
1991
).
50.
S.
Nosé
,
J. Chem. Phys.
81
,
511
(
1984
).
51.
T.
Björkman
 et al. 
Phys. Rev. Lett.
108
,
235502
(
2012
).
You do not currently have access to this content.