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潘明虎教授团队在纳米自旋电子学领域取得进展
发布时间:2018-11-21

816日,纳米学权威期刊《纳米快报》(Nano Letters)在线发表了我院潘明虎教授题为《石墨烯中化学吸附硼原子诱导产生局域自旋磁矩》(Locally Induced Spin States on Graphene by Chemical Attachment of Boron Atoms)的研究论文,报道了在化学气相沉积法制备的石墨烯中引入化学吸附的硼原子,可以诱导产生局域自旋磁矩,并通过扫描隧道显微镜在原子尺度上测量出局域自旋态以及观察到局域自旋在石墨烯中的分布、叠加等现象。


石墨烯(Graphene)是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成的二维碳纳米材料,其晶格呈六角型蜂巢状,由两套碳格子组成。根据Lieb1989年提出的理论,石墨烯基态的局域磁矩与周围两套格子中Pz轨道的数目差成正比:S=1/2×|NANB|,因此本征的石墨烯是无局域磁矩的。石墨烯AB两套格子的对称性被破坏时会在接近费米面处出现一个磁性态。此外,一个磁性态可以容纳两个具有相反自旋的电子,电子间的库仑相互作用会导致能级的劈裂,分裂能级峰之间的能量间距由库仑相互作用的强度决定。2016年,Brihuega等人在Science上首次报道了氢化学吸附石墨烯表面的局域磁矩的产生以及磁性态的分裂。



潘明虎教授和苏州大学的李青教授、迟力峰教授、林海平副教授以及澳大利亚纽卡斯尔大学的Werner A. Hofer教授合作,研究了单个硼原子化学吸附在石墨烯表面的电子结构。他们发现,单个硼原子吸附在石墨烯表面的碳碳桥位上。扫描隧道谱研究表明,在硼原子周围有两个磁性峰,分别为较强的+7 meV峰和较弱的+70 meV峰。结合理论计算,他们发现其对应自旋相反磁性峰的劈裂。磁性峰的空间分布进一步研究表明,其随着碳原子的晶格做周期振荡,振荡的周期正是一套碳格子里两个最邻近碳原子的间距。这一发现与前人预测的电子自旋态在AB两套格子间的振荡规律相吻合。在此基础上,团队成员还研究了不同硼原子诱导的自旋状态间的相互作用。该工作对探索石墨烯等二维材料的人工诱导磁性具有重要的指导意义和研究价值。



该工作得到了国家自然科学基金等项目的支持。论文链接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.8b01798


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