2017年10月24日
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Nano Letters发表物理学院龚昌德课题组关于石墨烯中磁性调控的研究成果

当样品尺寸降低到纳米尺度时,由于量子干涉经常会导致一些奇异的性质,因此量子约束在纳米结构中成为一个很好的产生和控制材料物理性质的手段。石墨烯拥有特别的电子输运性质,探讨其中的磁性成为大家非常感兴趣的研究课题。石墨烯中电子关联较弱,体态并不呈现磁性。但由于边界的局域性,石墨烯能够在边界上出现局域磁距。2014年Nature杂志报道了用扫描隧道显微镜测量发现了在锯齿状边界的石墨烯纳米带中随着宽度增加可发生一次绝缘—金属相变【Nature 514, 608 (2014)】,表明宽度较大时边界磁矩发生了一次从反铁磁关联(AFCE)到铁磁关联(FMCE)的转变。

龚昌德教授课题组最近在Nano Letters发表了“Width-tuned magnetic order oscillation on zigzag edges of honeycomb nanoribbons”的研究工作【Nano Letters 17, 4400 (2017), DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b01474】。他们详细研究了具有锯齿状边界的类似石墨烯的蜂窝状纳米带的边界磁性,发现在小量掺杂情况下,随着尺寸变化边界磁结构表现出AFCE和FMCE态多次交替出现的量子振荡现象(图1),振荡周期随着掺杂度增加而减小。能量分析表明系统通过改变边界磁关联来增强边界磁矩,从而降低能量。磁矩在体内衰减很快,但亦显现类似于Friedel振荡的关联。他们进一步建立了一个朗道理论来理解上述磁结构相变,发现边界磁矩通过获得另一个边界磁矩的正相干而增强,因此随着尺寸的变化,系统边界磁关联必须在AFCE和FMCE中不断转换来满足正相干要求从而降低能量。因此这种磁结构振荡是量子约束和量子相干效应共同导致的典型量子现象。而且,他们的研究结果表明这种AFCE-FMCE相变对边界无序不敏感,容易操作,并且可以在常温下实现,因此有望在以后的自旋电子学方面得到应用。

图:(a)两种不同的磁结构;(b)磁结构的掺杂-尺寸相图;(c)能隙随着尺寸的变化,表现出绝缘-金属相变;(d)边界磁矩随着尺寸的变化。

该工作是龚昌德教授课题组和美国布鲁克海文国家实验室尹卫国研究员的合作成果,研究生陈文潮为论文第一作者,周苑副教授、于顺利副教授和尹卫国研究员为论文共同通讯作者。研究工作获得了国家自然科学基金,科技部973计划,国家留学基金委、人工微结构科学与技术协同创新中心以及美国能源部基础能源科学办公室的支持。

(物理学院 科学技术处)