以氫為端基的鋸齒形納米石墨烯的自旋有序電子態(tài)產(chǎn)生了磁性量子現(xiàn)象，這引發(fā)了對(duì)碳基自旋電子學(xué)的新的興趣。鋸齒形石墨烯納米帶(ZGNRs)是由平行鋸齒形邊緣包圍的準(zhǔn)一維石墨烯半導(dǎo)體帶，其本征電子邊緣態(tài)沿其邊緣呈鐵磁有序排列，并沿其寬度(1,2,5)呈反鐵磁耦合。盡管最近的進(jìn)步GNRs具有對(duì)稱(chēng)拓?fù)浔Ｗo(hù)的自下而上的合成階段,甚至金屬零模式帶,獨(dú)特的磁結(jié)構(gòu)邊緣ZGNRs一直從直接觀察了一個(gè)強(qiáng)大的雜交的鋸齒形邊緣狀態(tài)與表面狀態(tài)的基礎(chǔ)支持。在本文中，我們提出了一種通用的技術(shù)，通過(guò)在ZGNR邊緣引入一個(gè)取代n原子摻雜的超晶格，來(lái)實(shí)現(xiàn)熱穩(wěn)定和電子解耦高反應(yīng)性的自旋極化邊緣態(tài)。第一性原理GW計(jì)算和掃描隧穿光譜揭示了由鐵磁有序邊緣態(tài)引起的交換場(chǎng)(~850特斯拉)對(duì)低氮單對(duì)平帶的巨大自旋分裂。我們的發(fā)現(xiàn)直接證實(shí)了ZGNRs.中預(yù)測(cè)的出現(xiàn)磁序的性質(zhì)，并為其探索和功能集成到納米級(jí)傳感和邏輯器件提供了一個(gè)強(qiáng)大的平臺(tái)。
圖 1. a, n- 6-ZGNR中自旋有序邊緣態(tài)的示意圖。b，分子前驅(qū)體1自底向上合成n-6-ZGNR并在其表面生長(zhǎng)的示意圖。c，沉積在Au(111)上的分子前驅(qū)體1的STM地形圖像(Vs = 50 mV, It = 20 pA)。d，退火至650 K (Vs = 50 mV, It = 20 pA)后完全環(huán)化的N-6-ZGNRs的STM形貌圖。e，全環(huán)化N-6-ZGNR的STM地形圖像，其特征是由于間二甲苯基團(tuán)的劈裂而產(chǎn)生的單點(diǎn)缺陷。
圖2. a，使用CO-功能化STM尖端記錄的全環(huán)化N-6-ZGNR段的地形圖像。b, a給出的N-6-ZGNR段的等高BRSTM圖像。箭頭表示N-6-ZGNR邊緣與C - H群相關(guān)的五個(gè)葉的位置。c，在a (V = 0 mV, Vac = 11 mV, f = 455 Hz)中標(biāo)記的位置，使用正電壓掃頻從V = 0.0 V到V = +2.5 V的尖端誘導(dǎo)解耦后的N-6-ZGNR段的恒定高度BRSTM圖像。d，在c (V = 0 mV, Vac = 11 mV, f = 455 Hz)的解耦中，使用從V = 0.0 V到V = 2.5 V的負(fù)電壓掃頻對(duì)N-6-ZGNR段進(jìn)行末端誘導(dǎo)解耦(V = 0 V, Vac = 11 mV, f = 455 Hz)。e，電壓掃描。f, STM高度剖面顯示了一個(gè)代表生長(zhǎng)的N-6-ZGNR(上)、部分解耦的N-6-ZGNR(中)和完全解耦的N-6-ZGNR(下)沿左邊緣(藍(lán)色方塊)和右邊緣(紅色圓圈)記錄的波磨。
圖 3. a、生長(zhǎng)態(tài)(藍(lán)色)和解耦態(tài)(紅色)N-6-ZGNR/Au(111)的dI/dV點(diǎn)光譜圖;Au(111)參考光譜。b，在V = +0.5 V (Vac = 11 mV, It = 200 pA, f = 455 Hz，共功能化尖端)電壓偏壓下記錄的恒流dI/dV圖。c，計(jì)算導(dǎo)帶(CB)邊緣的GW LDOS。d，在V = 0.3 V的電壓偏置下記錄的恒流dI/dV圖。e，計(jì)算價(jià)帶(VB)邊緣的GW LDOS。f，計(jì)算了N-6-ZGNR的GW DOS。
圖4。a、獨(dú)立N-6-ZGNR的GW波段結(jié)構(gòu)。b，上(紅)和下(藍(lán))自旋的GW LDOS積分在N-6-ZGNR的左半部分和右半部分上(紅)和下(藍(lán))的GW LDOS積分. c，上自旋和下自旋占據(jù)態(tài)的面積自旋密度分布差的空間分布(ρ (r) ρ (r))。
圖5 a，解耦N-6- ZGNR在圖中兩個(gè)N原子位置的Au(111)上的dI/dV點(diǎn)光譜，在兩個(gè)N原子之間的碳原子位置(綠色十字);Au(111)參考光譜(黑色)。b，在V = 2.6 V的偏壓下，unb的恒流dI/dV圖。c，計(jì)算出在UNFB附近的偏置范圍ΔV = 200 mV內(nèi)集成的GW LDOS。d，在V = 2.7 V的電壓偏差下記錄的LNFB的恒流dI/dV圖。e，計(jì)算出在LNFB附近的偏置范圍ΔV = 200 mV內(nèi)集成的GW LDOS。
相關(guān)科研成果加利福尼亞大學(xué)、勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Steven G. Louie和Felix R. Fischer團(tuán)隊(duì)2021年發(fā)表在Nature (https://www.nature.com/articles/s41586-021-04201-y)上。原文：Spin splitting of dopant edge state in magnetic zigzag graphene nanoribbons。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
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