Interaction between graphene and semiconducting diamond substrate has been examined with large-scale density functional theory calculations. Clean and hydrogenated diamond (100) and (111) surfaces have been studied. It turns out that weak van der Waals interactions dominate for graphene on all these surfaces. High carrier mobility of graphene is almost not affected, except for a negligible energy gap opening at the Dirac point. No charge transfer between graphene and diamond (100) surfaces is detected, while different charge-transfer complexes are formed between graphene and diamond (111) surfaces, inducing either p-type or n-type doping on graphene. Therefore, diamond can be used as an excellent substrate of graphene, which almost keeps its electronic structures at the same time providing the flexibility of charge doping.
REFERENCES
1.
K. S.
Novoselov
, A. K.
Geim
, S. V.
Morozov
, D.
Jiang
, M. I.
Katsnelson
, I. V.
Grigorieva
, S. V.
Dubonos
, and A. A.
Firsov
, Nature (London)
438
, 197
(2005
).2.
S. Y.
Zhou
, G.-H.
Gweon
, J.
Graf
, A. V.
Fedorovo
, C. D.
Spataru
, R. D.
Diehl
, Y.
Kopelevich
, D.-H.
Lee
, S. G.
Louie
, and A.
Lanzara
, Nat. Phys.
2
, 595
(2006
).3.
T.
Ohta
, A.
Bostwick
, T.
Seyller
, K.
Horn
, and E.
Rotenberg
, Science
313
, 951
(2006
).4.
A. K.
Geim
and K. S.
Novoselov
, Nature Mater.
6
, 183
(2007
).5.
J. C.
Meyer
, A. K.
Geim
, M. I.
Katsnelson
, K. S.
Novoselov
, T. J.
Booth
, and S.
Roth
, Nature (London)
446
, 60
(2007
).6.
A. K.
Geim
, Science
324
, 1530
(2009
).7.
A. H. C.
Neto
, F.
Guinea
, N. M. R.
Peres
, K. S.
Novoselov
, and A. K.
Geim
, Rev. Mod. Phys.
81
, 109
(2009
).8.
F.
Bonaccorso
, Z.
Sun
, T.
Hasan
, and A. C.
Ferrari
, Nature Photon.
4
, 611
(2010
).9.
M. Y.
Han
, B.
Ozyilmaz
, Y.
Zhang
, and P.
Kim
, Phys. Rev. Lett.
98
, 206805
(2007
).10.
X.
Li
, X.
Wang
, L.
Zhang
, S.
Lee
, and H.
Dai
, Science
319
, 1229
(2008
).11.
X.
Jia
, M.
Hofmann
, V.
Meunier
, B. G.
Sumpter
, J.
Campos-Delgado
, J. M.
Romo-Herrera
, H.
Son
, Y.-P.
Hsieh
, A.
Reina
, J.
Kong
, M.
Terrones
, and M. S.
Dresselhaus
, Science
323
, 1701
(2009
).12.
Y.
Guo
, W.
Guo
, and C.
Chen
, Appl. Phys. Lett.
92
, 243101
(2008
).13.
Y.
Zhang
, T.-T.
Tang
, C.
Girit
, Z.
Hao
, M. C.
Martin
, A.
Zettl
, M. F.
Crommie
, Y. R.
Shen
, and F.
Wang
, Nature (London)
459
, 820
(2009
).14.
C.-H.
Park
and S. G.
Louie
, Nano Lett.
10
, 426
(2010
).15.
Z. H.
Ni
, T.
Yu
, Y. H.
Lu
, Y. Y.
Wang
, Y. P.
Feng
, and Z. X.
Shen
, ACS Nano
2
, 2301
(2008
).16.
F.
Guinea
, M. I.
Katsnelson
, and A.
Gerim
, Nat. Phys.
6
, 30
(2010
).17.
R. M.
Ribeiro
, N. M. R.
Peres
, J.
Coutinho
, and P. R.
Briddon
, Phys. Rev. B
78
, 075442
(2008
).18.
O.
Leenaerts
, B.
Partoens
, and F. M.
Peeters
, Phys. Rev. B
77
, 125416
(2008
).19.
Y.-H.
Zhang
, Y.-B.
Chen
, K.-G.
Zhou
, C.-H.
Liu
, J.
Zeng
, H.-L.
Zhang
, and Y.
Peng
, Nanotechnology
20
, 185504
(2009
).20.
I.
Gierz
, C.
Riedl
, U.
Starke
, C. R.
Ast
, and K.
Kern
, Nano Lett.
8
, 4603
(2008
).21.
L. S.
Panchakarla
, K. S.
Subrahmanyam
, S. K.
Saha
, A.
Govindaraj
, H. R.
Krishnamurthy
, U. V.
Waghmare
, and C. N. R.
Rao
, Adv. Mater.
21
, 4726
(2009
).22.
X.
Wang
, X.
Li
, L.
Zhang
, Y.
Yoon
, P. K.
Weber
, H.
Wang
, J.
Guo
, and H.
Dai
, Science
324
, 768
(2009
).23.
R.
Balog
, B.
Jørgensen
, L.
Nilsson
, M.
Andersen
, E.
Rienks
, M.
Bianchi
, M.
Fanetti
, E.
Lægsgaard
, A.
Baraldi
, S.
Lizzit
, Z.
Sljivancanin
, F.
Besenbacher
, B.
Hammer
, T. G.
Pedersen
, P.
Hofmann
, and L.
Hornekær
, Nature Mater.
9
, 315
(2010
).24.
C. R.
Dean
, A. F.
Young
, I.
Meric
, C.
Lee
, L.
Wang
, S.
Sorgenfrei
, K.
Watanabe
, T.
Taniguchi
, P.
Kim
, K. L.
Shepard
, and J.
Hone
, Nat. Nanotechnol.
5
, 722
(2010
).25.
G.
Giovannetti
, P. A.
Khomyakov
, G.
Brocks
, P. J.
Kelly
, and J.
van den Brink
, Phys. Rev. B
76
, 073103
(2007
).26.
Y.
Fan
, M.
Zhao
, Z.
Wang
, X.
Zhang
, and H.
Zhang
, Appl. Phys. Lett.
98
, 083103
(2011
).27.
M.
Ishigami
, J. H.
Chen
, W. G.
Cullen
, M. S.
Fuhrer
, and E. D.
Williams
, Nano Lett.
7
, 1643
(2007
).28.
P.
Shemellaa
and S. K.
Nayak
, Appl. Phys. Lett.
94
, 032101
(2009
).29.
N. T.
Cuong
, M.
Otani
, and S.
Okada
, Phys. Rev. Lett.
106
, 106801
(2011
).30.
A.
Mattausch
and O.
Pankratov
, Phys. Rev. Lett.
99
, 076802
(2007
).31.
F.
Varchon
, R.
Feng
, J.
Hass
, X.
Li
, B. N.
Nguyen
, C.
Naud
, P.
Mallet
, J.-Y.
Veuillen
, C.
Berger
, E. H.
Conrad
, and L.
Magaud
, Phys. Rev. Lett.
99
, 126805
(2007
).32.
S.
Kim
, J.
Ihm
, H. J.
Choi
, and Y.-W.
Son
, Phys. Rev. Lett.
100
, 176802
(2008
).33.
G.
Giovannetti
, P. A.
Khomyakov
, G.
Brocks
, V. M.
Karpan
, J.
van den Brink
, and P. J.
Kelly
, Phys. Rev. Lett.
101
, 026803
(2008
).34.
C.
Gong
, G.
Lee
, B.
Shan
, E. M.
Vogel
, R. M.
Wallace
, and K.
Cho
, J. Appl. Phys.
108
, 123711
(2010
).35.
M.
Vanin
, J. J.
Mortensen
, A. K.
Kelkkanen
, J. M.
Garcia-Lastra
, K. S.
Thygesen
, and K. W.
Jacobsen
, Phys. Rev. B
81
, 081408
(R) (2010
).36.
F.
Mittendorfer
, A.
Garhofer
, J.
Redinger
, J.
Klimeš
, J.
Harl
, and G.
Kresse
, Phys. Rev. B
84
, 201401
(R) (2011
).37.
Y.
Xu
, K. T.
He
, S. W.
Schmucker
, Z.
Guo
, J. C.
Koepke
, J. D.
Wood
, J. W.
Lyding
, and N. R.
Aluru
, Nano Lett.
11
, 2735
(2011
).38.
Y.
Wu
, Y.
Lin
, A. A.
Bol
, K. A.
Jenkins
, F.
Xia
, D. B.
Farmer
, Y.
Zhu
, and P.
Avouris
, Nature (London)
472
, 74
(2011
).39.
D.
Varshney
, C. V.
Rao
, M. J.-F.
Guinel
, Y.
Ishikawa
, B. R.
Weiner
, and G.
Morell
, J. Appl. Phys.
110
, 044324
(2011
).40.
J.
Yu
, G. X.
Liu
, A. V.
Sumant
, V.
Goyal
, and A. A.
Balandin
, Nano Lett.
12
, 1603
(2012
).41.
Y.
Ma
, Y.
Dai
, M.
Guo
, and B.
Huang
, Phys. Rev. B
85
, 235448
(2012
).42.
K. C.
Pandey
, Phys. Rev. B
25
, 4338
(1982
).43.
S.
Iarlori
, G.
Galli
, F.
Gygi
, M.
Parrinello
, and E.
Tosatti
, Phys. Rev. Lett.
69
, 2947
(1992
).44.
J. C.
Angus
and C. C.
Hayman
, Science
241
, 913
(1988
).45.
C. J.
Chu
, M. P.
D’Evelyn
, R. H.
Hauge
, and J. L.
Margrave
, J. Appl. Phys.
70
, 1695
(1991
).46.
J.-K.
Lee
, S.-C.
Lee
, J.-P.
Ahn
, S.-C.
Kim
, J. I. B.
Wilson
, and P.
John
, J. Chem. Phys.
129
, 234709
(2008
).47.
H.-J.
Kim
, S.
Oh
, and J.-H.
Cho
, Phys. Rev. B
83
, 235408
(2011
).48.
P.
Ordejón
, E.
Artacho
, and J. M.
Soler
, Phys. Rev. B
53
, R10441
(1996
).49.
M.
Dion
, H.
Rydberg
, E.
Schröder
, D. C.
Langreth
, and B. I.
Lundqvist
, Phys. Rev. Lett.
92
, 246401
(2004
).50.
G.
Román-Pérez
and J. M.
Soler
, Phys. Rev. Lett.
103
, 096102
(2009
).51.
L.
Kong
, G.
Román-Pérez
, J. M.
Soler
, and D. C.
Langreth
, Phys. Rev. Lett.
103
, 096103
(2009
).52.
A. M.
Walker
, B.
Civalleri
, B.
Slater
, C.
Mellot-Draznieks
, F.
Cora
, C. M.
Zicovich-Wilson
, G.
Roman-Perez
, J. M.
Soler
, and J. D.
Gale
, Angew. Chem., Int. Ed.
122
, 7663
(2010
).53.
D. J.
Carter
and A. L.
Rohl
, J. Chem. Theory Comput.
8
, 281
(2012
).54.
G.
Li
, I.
Tamblyn
, V. R.
Cooper
, H.-J.
Gao
, and J. B.
Neaton
, Phys. Rev. B
85
, 121409
(R) (2012
).55.
W. H.
Press
, B. P.
Flannery
, S. A.
Teukolsky
, and W. T.
Vetterling
, New Numerical Recipes
(Cambridge University Press
, New York
, 1986
).56.
J.
Junquera
, Ó.
Paz
, D.
Sánchez-Portal
, and E.
Artacho
, Phys. Rev. B
64
, 235111
(2001
).57.
G.
Makov
and M. C.
Payne
, Phys. Rev. B
51
, 4014
(1995
).58.
Y.
Baskin
and L.
Mayer
, Phys. Rev.
100
, 544
(1955
).59.
R.
Zacharia
, H.
Ulbricht
, and T.
Hertel
, Phys. Rev. B
69
, 155406
(2004
).60.
R. E.
Mapasha
, A. M.
Ukpong
, and N.
Chetty
, Phys. Rev. B
85
, 205402
(2012
).61.
S. J.
Sque
, R.
Jones
, and P. R.
Briddon
, Phys. Rev. B
73
, 085313
(2006
).62.
F.
Tuinstra
and J. L.
Koenig
, J. Chem. Phys.
53
, 1126
(1970
).63.
J.
Bardeen
, Phys. Rev.
71
, 717
(1947
).64.
Y. J.
Yu
, Y.
Zhao
, S.
Ryu
, L. E.
Brus
, K. S.
Kim
, and P.
Kim
, Nano Lett.
9
, 3430
(2009
).65.
S. J.
Sque
, R.
Jones
, and P. R.
Briddon
, Phys. Status Solidi A
204
, 3078
(2007
).66.
J. B.
Oostinga
, H. B.
Heersche
, X. L.
Liu
, A. F.
Morpurgo
, and L. M. K.
Vanersypen
, Nature Mater.
7
, 151
(2008
).67.
M.
Calandra
and F.
Mauri
, Phys. Rev. B
76
, 205411
(2007
).68.
A.
Du
, Y. H.
Ng
, N. J.
Bell
, Z.
Zhu
, R.
Amal
, and S. C.
Smith
, J. Phys. Chem. Lett.
2
, 894
(2011
).69.
Z.
Chen
, I.
Santoso
, R.
Wang
, L. F.
Xie
, H. Y.
Mao
, H.
Huang
, Y. Z.
Wang
, X. Y.
Gao
, Z. K.
Chen
, D.
Ma
, A. T. S.
Wee
, and W.
Chen
, Appl. Phys. Lett.
96
, 213104
(2010
).70.
J.
Ristein
, S.
Mammadov
, and T.
Seyller
, Phys. Rev. Lett.
108
, 246104
(2012
).71.
S.
Tongay
, T.
Schumann
, and A. F.
Hebard
, Appl. Phys. Lett.
95
, 222103
(2009
).72.
C.-C.
Chen
, M.
Aykol
, C.-C.
Chang
, A. F. J.
Levi
, and S. B.
Cronin
, Nano Lett.
11
, 1863
(2011
).73.
H.
Yang
, J.
Heo
, S.
Park
, H. J.
Song
, D. H.
Seo
, K.-E.
Byun
, P.
Kim
, I. K.
Yoo
, H.-J.
Chung
, and K.
Kim
, Science
336
, 1140
(2012
).© 2013 American Institute of Physics.
2013
American Institute of Physics
You do not currently have access to this content.
