基于电场与应力作用的石墨烯纳米带的自旋与磁性的调控机制研究

The rapid development of electronic technology puts much stricter requirements to the qualities of its building materials. Graphene is more promising to replace silicon as the electronic material of next generation. Graphene is the single-layer film of carbon atom with honeycomb lattice, and it has much high electron mobility and unique Dirac cone structure of energy band. It would greatly faciliate the application of graphene in spintronics if graphene has intrinsic magnetism and its spins and moments can be controlled by external conditions. Currently, research on the magnetic properties of graphene is just beginning, and the control on its spin and magnetic properties by electric field and strain is seldom studied. It is much convenient to apply graphene into the spintronics and sensors by controlling the spin-orbit coupling and magnetic properties of graphene through electric field and strain. We plan to investigate the magnetic properties and spin-orbita coupling of graphene nanoribbon under electric field and strain by first-principles calculations and tight-binding theory. We investigate the intrinsic magnetism of graphene arising from the impurity doping and the interaction of adotoms. We plan to explore the magnetic properties, spin-orbital coupling and piezoelectricity of graphene under electric field and strain effect. By fitting the results of first-principles calculations, we give the parameters in tight-binding model. We hope our research can shed some light on the design of spintronic devices based on graphene.

现代电子技术的高速发展对材料性能提出更高的要求，石墨烯有望取代硅成为下一代电子材料。石墨烯是单层的二维蜂巢状碳原子薄膜，具有极高的电子迁移率和独特的狄拉克圆锥能带结构。如果石墨烯具有本征磁性并且其磁性与自旋能够为外界条件所控制，这将对石墨烯在自旋电子学的应用提供极大的便利。目前关于石墨烯的自旋与磁性研究方兴未艾，而采用电场和应力控制的石墨烯的自旋与磁性却很少被研究。通过用电场和应力调控石墨烯的自旋轨道耦合与磁性，可以使石墨烯更加方便地应用到自旋电子学器件和传感器中。本项目拟采用第一性原理方法并结合紧束缚方法对石墨烯纳米带的磁性与自旋轨道耦合控制展开研究，研究通过杂质与吸附原子作用使石墨烯产生本征磁性，研究石墨烯在外电场和应力作用下的磁性、自旋轨道耦合的变化以及压电效应；通过拟合理论模型与第一性原理的结果给出调控参数，从而对设计石墨烯自旋电子学器件给出前瞻性指导。

石墨烯是一种新兴的二维薄膜材料，其独特的材料结构和电子结构性质决定了该种材料具有一系列新奇的物理性质。而石墨烯的磁性以及在电场与应力的调控反应成为目前研究的重点。我们对石墨烯的本征磁性和吸附磁性进行了深入研究，得到了一系列重要研究结果。我们研究了在石墨烯平面内引入一定的氧元素和氮元素，模拟氨气还原石墨烯氧化物的结果，我们系统研究了三种氮缺陷：吡啶、吡咯以及石墨型氮缺陷对磁性的贡献。结果表明石墨烯的磁性主要源于平面内的本征缺陷而不是氮杂质，而氮杂质的形成在一定程度上阻止了这些碳空位造成的本征缺陷的姜-泰勒畸变，从而使得磁性得以保留。但是过量的氮杂质使得这些本征缺陷位置被氮杂质所占据，从而降低了石墨烯氧化物的磁性。我们的计算结果对实验上寻找石墨烯掺杂磁性给出了重要指示。. 当过渡金属原子吸附到石墨烯表面上时，由于受到表面晶体场的影响，过渡金属原子的d能级发生劈裂，从而产生强磁各向异性现象。我们系统研究了过渡金属原子和稀土原子吸附到石墨烯单空位和双空位缺陷上的强磁各向异性能。计算表明对于铱(Ir)、钐(Sm)、铒(Er)与铥(Tm)具有强磁各向异性，易磁轴垂直石墨烯氧化物的平面，磁性各向异性能达到了50-60 meV，将双原子分子Ir-Tm，Ir-Er，Ir-Sm三种双原子分子吸附于三羰基的中心时可以获得100-200meV的强磁各向异性，并且这些强磁各向异性可以通过施加垂直石墨烯平面的电场进行调控，最大调幅可达60%，并且通过钛(Ti)纳米针尖不断接近这些吸附的分子可以实现对强磁各向异性能的连续调节。我们这些发现对实现以石墨烯为衬底的超高密度存储器件奠定了理论基础。. 我们进一步探索了当石墨烯吸附了过渡金属原子后的体系的磁性和拓扑情况。我们研究了三种体系：（1）掺硼石墨烯吸附硼原子体系；（2）石墨烯吸附Fe-Os, Ru-Os和Rh-Os三种双原子分子体系；（3）石墨烯表面吸附Co-Te分子体系。计算表明，这三种体系均具有垂直表面的强磁各向异性，并且具有非平庸的拓扑性质。当石墨烯表面承受-4%~+4%的单轴应力时，石墨烯的强磁各向异性和拓扑能带均得到保留。由于受到吸附磁性原子的临近效应，石墨烯表面出现了完全磁化现象，在费米面出现了非平庸的拓扑能隙。同时这些强磁各向异性能和拓扑能隙可以通过外加电场进行最大化调节，为设计石墨烯量子器件给予了前瞻性指导。