2024年8月21日，Phys. Rev. B在线发表了浙江农林大学刘伟副教授与美国加州州立大学北岭分校苗茂生教授合作的研究论文，题目为《Bipolar magnetic semiconductors emerging in graphene nanoribbons with zigzag edges and internal defects》，论文的第一作者为Yangkai Cheng和Jing Xu。
双极磁性半导体（BMS）是一类前沿的自旋电子材料，其特征在于价带顶（VBM）与导带底（CBM）之间存在相反的自旋极化方向。这一特性使得BMS能够实现电流的完全自旋极化，且其极化方向可通过施加栅极电压进行精确调控。BMS的独特电子性质，如自旋方向的可控性及巨大的磁电阻效应，展现了其在自旋电子应用中的广泛潜力，包括自旋过滤器、自旋阀、磁存储设备及传感器等。然而，BMS独特的自旋特性给材料设计带来了挑战，限制了已知BMS材料的多样性，进而妨碍了其应用的进一步探索。因此，寻求有效的策略以发现新型BMS材料显得尤为重要。
本研究提出了一种新颖的“蛋盘石墨烯纳米带”（EGNR）家族，通过切割蛋盘石墨烯构建而成，这些纳米带不仅具有锯齿边缘，还包含内部缺陷（如五边形和七边形）。通过第一性原理计算，研究者发现这些EGNR表现出显著的BMS特性，具备半金属性及无间隙半导体（SGS）等其他自旋电子特性。
研究结果显示，当EGNR的宽度较小时，内部缺陷区域对整个纳米带的自旋密度分布具有显著影响，导致自旋极化不仅局限于边缘碳原子，还扩展至缺陷区域。这种边缘与缺陷区域之间的协同效应促进了稳定BMS的形成。随着EGNR宽度的增加，材料性质逐渐由BMS转变为半导体或半金属，边缘态在这一过程中发挥了关键作用。此外，在EGNR的边缘引入五边形和七边形，进一步压缩了BMS特性，转变为SGS。
该研究为基于边缘切割和拓扑控制的新型碳纳米带材料中实现和调控BMS提供了创新思路，展示了其在先进自旋电子应用中的广泛潜力。
图1 蛋盘石墨烯(T1)和蛋盘石墨烯纳米带(EGNR) EGNR-L-W的俯视图。
图2 (a) EGNR结合能随L和W的变化曲线 (b) EGNR-1-7从头算分子动力学(AIMD)模拟。(c) EGNR-1-7声子谱。
图3 EGNR的磁性和电子特性随L和W的变化，白色、红色和黄色背景分别表示非磁性、反铁磁性和铁磁性基态。红色圆圈、紫色五角星、黑色五角形、蓝色六角形分别代表金属、双极磁性半导体、半导体、半金属。
图4 EGNRs能带结构:(a) EGNR-1-1, (b) EGNR-2-1, (e) EGNR-3-1, (f) EGNR-1-1; 导带最小值(CBM)和价带最大值(VBM)随W的变化: (c) EGNR-1-W、(d) EGNR-2-W、(g) EGNR-3-W和(h) EGNR-4-W (W = 1、3、5和7)。
论文链接
Yangkai Cheng, Jing Xu, Jiang Xiang, Wei Liu and Maosheng Miao, Bipolar magnetic semiconductors emerging in graphene nanoribbons with zigzag edges and internal defects, Phys. Rev. B, 2024, 10, 085141.
https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.110.085141
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