2024年5月24日，Nano Lett.在线发表了哈佛大学Michele Pizzochero和帝国理工学院Nikita V. Tepliakov课题组的研究论文，题目为《One-Dimensional Magnetic Conduction Channels across Zigzag Graphene Nanoribbon/Hexagonal Boron Nitride Heterojunctions》。
石墨烯纳米带（GNRs）是一类准一维半导体，由几个纳米宽的碳原子带组成。凭借其宽度依赖的带隙、高电荷载流子迁移率、多面结构-性能关系以及在短沟道场效应晶体管中的易于集成，它们已成为实现后硅器件概念的合适构建块。锯齿形边缘石墨烯纳米带（ZGNRs）由于其固有的π-电子磁性而具有独特性。源自费米能级范霍夫奇点的Stoner不稳定性驱动自旋极化边缘态的形成，相反边缘上的局域磁矩倾向于反平行方向。
最近，设计了一种两步生长方法，将ZGNR横向结合到六方氮化硼（hBN）中。在第一步中，通过使用镍纳米颗粒催化切割，沿着锯齿形晶体取向蚀刻hBN表面层中的纳米沟槽。在第二步中，使用化学气相沉积来用碳原子填充这些沟槽，这种方法产生了ZGNR/hBN的面内异质结。先前的计算工作已经确定在这些异质结中存在狄拉克半金属相，其中一个自旋取向是半金属的，而另一个是半导体的。
然而，这些研究仅限于组成材料之间的界面不对称构型，其中纳米带的一个边缘由硼原子终止，另一个由周围hBN的氮原子终止。相反，纳米带的两个边缘都由相同化学物质（硼或氮原子）终止的对称构型却很少受到关注。这个问题对于全面了解ZGNR/hBN异质结及其在超薄纳米电路中的可能用途非常重要。
在此研究中，作者研究了ZGNR/hBN异质结的电子结构。专注于迄今为止未探索的界面构型，其中纳米带的两个边缘都结合到相同的化学物质，硼或氮原子。利用从头算和平均场Hubbard模型计算，揭示了在这些界面处出现的一维磁传导通道，其源于ZGNR和hBN之间电荷转移引起磁性界面态的能量转移。进一步讨论了这些异质结对外部电场和磁场的响应，证明了电子结构中能量和自旋分裂的可调性。这项研究结果表明，ZGNR/hBN异质结是探索和设计原子薄极限自旋输运的合适平台，在集成自旋电子器件中具有潜在应用。
图1 从头算ZGNR/hBN异质结的电子结构
图2 ZGNR/hBN异质结金属性的机制
图3 平均场Hubbard模型计算ZGNR/hBN异质结的电子结构
图4 从头算ZGNR/hBN异质结对外加电场的响应
图5 平均场Hubbard模型计算ZGNR/hBN异质结对外磁场的响应
论文链接
Pizzochero, M., Tepliakov, N.V., Lischner, J. et al. One-Dimensional Magnetic Conduction Channels across Zigzag Graphene Nanoribbon/Hexagonal Boron Nitride Heterojunctions. Nano Lett., 2024. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c00920
其他相关文献
[1] Gröning, O., Wang, S., Yao, X. et al. Engineering of Robust Topological Quantum Phases in Graphene Nanoribbons. Nature, 2018, 560, 209–213. https://doi.org/10.1038/s41586-018-0375-9
[2] Tepliakov, N.V., Ma, R., Lischner, J. et al. Dirac Half-Semimetallicity and Antiferromagnetism in Graphene Nanoribbon/Hexagonal Boron Nitride Heterojunctions. Nano Lett., 2023, 23, 6698–6704. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c01940
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