名古屋大学 & 早稻田大学：石墨烯/金刚石异质结界面研究新进展

石墨烯（sp²杂化）与金刚石（sp³杂化）形成的碳-碳异质结近年来备受关注。这种sp²-sp³异质结构兼具石墨烯优异的导电性、热稳定性和金刚石的宽禁带半导体特性，在光电忆阻器（photomemristive devices）等新型器件中展现出巨大潜力。

光电忆阻器可通过电信号和光信号共同调控电阻状态，适用于人工视觉、神经形态计算及传感器集成等领域。相较于传统材料，石墨烯/金刚石异质结具有原料丰富、化学稳定性高、可通过掺杂调控电子性质等优势，其电阻变化可达两个数量级以上，具有多值存储潜力。然而，器件性能的核心——界面原子结构与电子态——长期缺乏清晰认知，这直接制约了对电阻开关机制的理解。

近日，日本名古屋大学与早稻田大学的研究团队，系统研究了石墨烯/金刚石（G/D）异质结界面的原子结构与电子态特征，重点揭示了不同制备工艺下界面结构差异与忆阻行为之间的关联。相关成果以“Interfacial structures of graphene/diamond heterojunctions investigated by scanning transmission electron microscopy”为题，发表在《Diamond & Related Materials 》期刊上。

文章指出，石墨烯/金刚石异质结此前已经展现出优异的光忆阻特性，其电阻状态可在光照与偏压共同作用下实现可逆切换，并具备多级存储潜力。然而，决定器件性能的关键——界面结构与缺陷态——此前一直缺乏清晰认识。因此，研究团队利用高分辨透射电子显微镜（TEM）、四维扫描透射电子显微镜（4D-STEM）以及电子能量损失谱（STEM-EELS）等技术，对界面进行了系统分析。

研究中，团队采用两种方法在硼掺杂金刚石表面构建石墨烯层：一种是微波等离子体化学气相沉积（CVD），另一种是铜催化高温退火（Cu annealing）。实验发现，两种工艺会形成明显不同的界面结构。

在CVD方法中，石墨烯生长过程中会形成具有（111）晶面的金刚石孪晶结构，使界面呈现不平整形貌。随着生长温度升高，石墨烯晶畴尺寸和金刚石孪晶尺寸均明显增大，从而提升了界面面积。TEM结果显示，石墨烯倾向于沿金刚石（111）晶面平行生长，两者在局部区域甚至表现出较强的结构相干性。与此同时，界面附近的石墨烯层间距出现局部增大，研究人员认为这与石墨烯和金刚石之间的键合有关。

相比之下，通过铜退火法制备的样品则没有明显的金刚石孪晶。石墨烯主要以垂直于界面的方式生长，整体晶畴更大，但与金刚石之间的相干性较弱。研究还发现，该样品中石墨烯层间距在靠近界面时反而减小，表明其形成机制与CVD过程存在本质差异。

总体来看，这项工作并未仅停留在器件性能层面，而是进一步深入到石墨烯/金刚石界面的原子尺度结构，揭示了孪晶、界面相干性以及层间距变化等因素对忆阻行为的潜在影响。研究表明，通过调控界面结构与缺陷态，有望进一步优化石墨烯/金刚石光忆阻器件，为未来高速类脑计算、光电融合存储以及全碳电子器件设计提供新的思路。