[論文レビュー] Gate Tunable Magnetism and Giant Magnetoresistance in ABC-stacked Few-Layer Graphene

Yongjin Lee, Shi Che+7 more|arXiv (Cornell University)|Nov 11, 2019

Graphene research and applications参考文献 41被引用数 16

ひとこと要約

本研究では、低ドーピング（約10¹¹ cm⁻²）におけるABCスタック型少数層グラフェン（r-FLG）において、フラットバンドが強い電子相関を引き起こし、半金属状態を形成することにより、電場でチューニング可能な磁性および巨大磁気抵抗が実証された。観測された1000%を超える磁気伝導度および伝導度ヒステリシスは、ゲート電圧によって逆転可能であり、5 Kを超えると消失する。第一原理計算により確認された。

ABSTRACT

Magnetism is a prototypical phenomenon of quantum collective state, and has found ubiquitous applications in semiconductor technologies such as dynamic random access memory (DRAM). In conventional materials, it typically arises from the strong exchange interaction among the magnetic moments of d- or f-shell electrons. Magnetism, however, can also emerge in perfect lattices from non-magnetic elements. For instance, flat band systems with high density of states (DOS) may develop spontaneous magnetic ordering, as exemplified by the Stoner criterion. Here we report tunable magnetism in rhombohedral-stacked few-layer graphene (r-FLG). At small but finite doping (n~10^11 cm-2), we observe prominent conductance hysteresis and giant magnetoconductance that exceeds 1000% as a function of magnetic fields. Both phenomena are tunable by density and temperature, and disappears for n>10^12 cm-2 or T>5K. These results are confirmed by first principles calculations, which indicate the formation of a half-metallic state in doped r-FLG, in which the magnetization is tunable by electric field. Our combined experimental and theoretical work demonstrate that magnetism and spin polarization, arising from the strong electronic interactions in flat bands, emerge in a system composed entirely of carbon atoms. The electric field tunability of magnetism provides promise for spintronics and low energy device engineering.

研究の動機と目的

• d-またはf電子の寄与なしに、真性の炭素系系で磁性がどのように発現するかを調査すること。
• ラホンドライトスタック型少数層グラフェン（r-FLG）のフラットバンドが、電子間相互作用によってチューナブルな磁気秩序を担えるかどうかを調査すること。
• スピン偏極および磁性を炭素のみから成る系で電場で制御できることを示し、スピントロニクス応用に応用すること。
• フラットバンド内の電子相関と2次元ファンデルワールスヘテロ構造における巨大磁気抵抗効果との間に、関連性を確立すること。

提案手法

• キャリア密度および静電ポテンシャルを調整するため、トップゲートおよびバックゲートを備えたABCスタック型少数層グラフェンデバイスを用いて実験を実施した。
• 磁場および温度を変化させた条件下で伝導度測定を実施し、ヒステリシスおよび磁気抵抗を検出した。
• 第一原理密度汎関数理論（DFT）計算を用いて、電子構造をモデル化し、ドーピングされたr-FLGにおける半金属的性質を確認した。
• 高密度状態を持つフラットバンドにおける磁気秩序の安定性を評価するために、ストナー基準を適用した。
• 磁気秩序の臨界温度閾値を特定するために、4.2 Kまで低下した温度依存測定を実施した。
• ゲート電圧スイープを用いてフェルミ準位をフラットバンド領域にチューニングし、磁性および輸送特性の制御を可能にした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁性は、磁性イオンを含まず、完全な炭素格子において、フラットバンド内の電子相関によってのみ発現可能か？
• RQ2 ABCスタック型少数層グラフェンにおける観測された磁性は、外部電場によってチューニング可能か？
• RQ3 ドーピングされたr-FLGにおける磁気抵抗の大きさと磁場依存性は何か？また、従来の材料と比較してどう異なるか？
• RQ4 磁性秩序が消滅するドーピングおよび温度の閾値は何か？これにより、メカニズムにどのような示唆が得られるか？
• RQ5 第一原理計算は、実験的に観測された半金属的状態およびスピン偏極を再現できるか？

主な発見

• 低ドーピング（約10¹¹ cm⁻²）および低温（5 K以下）条件下で伝導度ヒステリシスが観測され、準安定な磁性状態の存在を示した。
• 磁場に応じて1000%を超える巨大磁気伝導度が測定され、強いスピン依存輸送の特徴である。
• ドーピングが10¹² cm⁻²を超えるか、温度が5 Kを超えると、磁気抵抗およびヒステリシス効果が消失し、相転移を示した。
• 第一原理計算により、ドーピングされたr-FLGに半金属的状態が形成され、フェルミ準面近くにスピン偏極フラットバンドが存在することが確認された。
• 磁化およびスピン偏極はゲート電圧によって電気的にチューニング可能であり、磁気秩序の動的制御が可能である。
• 本結果により、強力な電子相関がフラットバンドに起因するため、完全に炭素原子から成る系においても、強固でゲートでチューニング可能な磁性が発現可能であることが示された。