量化锰通过转移石墨烯与直接生长石墨烯阻挡层的扩散

我们量化了在 Mn/石墨烯/Ge (001) 与 Mn/石墨烯/GaAs (001) 异质结构中，通过石墨烯的锰（Mn）扩散机制，样品分别采用石墨烯层转移与直接在半导体衬底上生长石墨烯制备。这些异质结构在自旋电子学应用中十分重要；然而，在 GaAs 等技术重要衬底上直接合成石墨烯存在挑战， necessitates 层转移与退火步骤，从而给石墨烯引入缺陷。\textit{原位}光电子能谱测量表明，直接在 Ge (001) 衬底上生长的石墨烯中 Mn 的扩散比无石墨烯样品低 1000 倍（$D_{gr,direct} \sim 4\times10^{-18}$cm$^2$/s，$D_{no-gr} \sim 5 \times 10^{-15}$ cm$^2$/s，500$^\circ$C 下）。转移石墨烯在 Ge 上相较无石墨烯将 Ge 中的 Mn 扩散抑制了 10 倍（$D_{gr,transfer} \sim 4\times10^{-16}$cm$^2$/s）。对于转移与直接生长的石墨烯，低激活能（$E_a \sim 0.1-0.5$ eV）表明 Mn 通过石墨烯的扩散主要发生在石墨烯缺陷处。扩散 prefactor $D_0$ 随石墨烯片的缺陷密度缩放，进一步证实了这一点。在 GaAs 衬底上发现了相似的扩散阻挡性能；然而，目前尚无法在 GaAs 上直接生长石墨烯。我们的结果凸显了在功能衬底上直接发展石墨烯生长以避免层转移与退火所致损伤的重要性。