意大利的里雅斯特同步加速器Adv. Mater.: 单层石墨烯中诱导的单自旋极化平带

2023年7月21日，Adv. Mater.在线发表了意大利的里雅斯特同步加速器Matteo Jugovac和西班牙马德里纳米科学研究所(IMDEA)Paolo Perna课题组的研究论文，题目为《Inducing Single Spin-Polarized Flat Bands in Monolayer Graphene》。

在费米能级附近或费米能级实现拓扑电子平带是实现新型奇异电子和磁态的一条很有前途的途径。布里渊区的相关部分中几乎无色散（平坦）的能带产生电子不稳定性（由于态密度的发散），该电子不稳定性可以确定费米能级附近带隙的开口，并驱动到新的对称性破缺基态。由于驱动非平庸、奇异拓扑自旋纹理和新兴对称破缺相出现的基础和技术意义，包括石墨烯在内的二维材料中平坦电子带如今是自旋电子学领域的一个相关话题。

当掺杂到范霍夫奇点时，由电子关联驱动的平带有望在单层石墨烯中形成。通过金属插层过掺杂准独立单层石墨烯，可以将范霍夫奇点转移到费米能级，从而可以在输运中获得奇异的有序基态。平带的设计通常具有挑战性，并且使其自旋极化对于开发非常规电子器件至关重要，因为这些器件的多种新功能利用了自旋自由度而不是电荷。

在此研究中，通过铕（Eu）掺杂，在Co(0001)表面支撑的单层石墨烯中产生了单自旋极化带。掺杂是由Eu定位控制的，当Eu位于顶部时，可以形成一个接近费米能级的K谷局域单自旋极化低色散抛物线带；而当Eu插入在石墨烯下方时，可以形成一个具有单自旋特性的π*平带。在后一种情况下，Eu也在Dirac点诱导带隙打开，而Eu 4f态充当自旋滤波器，将π带分裂为两个自旋极化分支。自旋和角度分辨光电子能谱（ARPES）实验和密度泛函理论（DFT）计算揭示了具有单自旋特性的平带产生，为利用这种新型奇异电子和磁态实现自旋电子器件开辟了新的途径。

图1 Eu在Gr/Co(0001)中插入后的结构和电子性质

图2 Eu/Gr/Co体系的自旋分辨电子结构

图3 Gr/Eu/Co体系的自旋分辨电子结构

图4 Eu/Gr/Co和Gr/Eu/Co的DFT能带结构

图5 Gr/Eu/Co中Dirac点的带隙打开和自旋滤波器

【论文链接】

Jugovac, M., Cojocariu, I., Sánchez-Barriga, J. et al. Inducing Single Spin-Polarized Flat Bands in Monolayer Graphene. Adv. Mater., 2023, 35, 2301441. https://doi.org/10.1002/adma.202301441

【其他相关文献】

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