[論文レビュー] Magnetic Moment and Band Structure Analysis of Fe, Co, Ni-modified Graphene-nano- ribbon

Norio Ota|arXiv (Cornell University)|Jan 18, 2014

Graphene research and applications被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、密度汎関数理論（DFT）を用いて、Fe、Co、Niドープグラフェンナノリボン（GNRs）の磁気モーメントおよび電子バンド構造を分析する。FeドープGNRは、グラフェンネットワークとの結合によって磁気モーメントが低下したが、最高のスピン状態（Sz = 4/2）を示し、3.63 μBの磁気モーメントを示す。一方、CoドープGNRは、上スピンに対して0.55 eV、下スピンに対して0.05 eVのギャップを示す半金属的バンド構造を示し、スピントロニクス応用、特にスピンフィルターとしての強力な可能性を示している。

ABSTRACT

Magnetic properties and band characteristics of graphene-nano-ribbon (GNR) modified by Fe, Co, and Ni were analyzed by the first principles DFT calculation. Typical unit cell is [C32H2Fe1], [C32H2Co1] and [C32H2Ni1] respectively. The most stable spin state was Sz=4/2 for Fe-modified GNR, whereas Sz=3/2 for Co-case and Sz=2/2 for Ni-case. Atomic magnetic moment of Fe, Co and Ni were 3.63, 2.49 and 1.26 μB, which were reduced values than that of atomic Hund-rule due to magnetic coupling with graphene network. There is a possibility for a ferromagnetic Fe, Co and Ni spin array through an interaction with carbon pi-conjugated spin system. By expanding a unit cell of Co-modified case as [C96H6Co3], ferromagnetic like spin state and ferrimagnetic like one were compared. It was concluded that ferromagnetic state was more stable magnetic state. Band calculations of Co-modified case show half-metal like structure with relatively large band gap (0.55eV) for up-spin, whereas small gap (0.05eV) for down-spin. This suggested a capability of spintronics application like a spin fiter.

研究の動機と目的

• 第一原理計算を用いて、Fe、Co、Niドープグラフェンナノリボン（GNRs）の磁気的および電子的性質を理解すること。
• 遷移金属ドープGNRsの最も安定なスピン状態および磁気モーメントを特定すること。
• これらのドープ系がスピントロニクス応用、特にスピンフィルターとしての可能性を評価すること。
• 拡張されたCoドープGNRにおける強磁性および反強磁性スピン配置の比較。

提案手法

• 一般化勾配近似（GGA）を用いた第一原理密度汎関数理論（DFT）計算を実施し、PBE関数を用いた。
• 周期的スーパーセルを用いた：M = Fe、Co、Niの[C32H2M1]および比較的分析用の拡張[C96H6Co3]。
• 基底状態のスピン多重度および磁気モーメントを決定するためにスピン極化計算を実施した。
• スピン分裂およびバンドギャップを含む電子的性質を分析するためにバンド構造計算を実施した。
• 拡張Co-GNRにおける強磁性状態と反強磁性状態の安定性を、全エネルギーの比較によって評価した。
• スピン密度分布および磁気モーメントの低下を用いて、遷移金属原子と炭素π共有結合ネットワークとの間の磁気的結合を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Fe、Co、Ni原子がグラフェンナノリボンにドープされた場合、最も安定なスピン状態は何か？
• RQ2 GNRs内のFe、Co、Ni原子の磁気モーメントは、ヘンド則の値と比べてどのように異なるか？
• RQ3 遷移金属原子とグラフェンネットワークの相互作用が強磁性結合を引き起こすか？
• RQ4 CoドープGNRは、スピントロニクス素子に適した半金属的挙動を示すか？
• RQ5 拡張されたCoドープGNR系において、強磁性か反強磁性のどちらの磁気的配置がより安定か？

主な発見

• FeドープGNRの最も安定なスピン状態はSz = 4/2であり、原子的磁気モーメントは3.63 μBである。これは、グラフェンネットワークとのハイブリダイゼーションによってヘンド則の値から低下している。
• CoドープGNRでは、基底状態がSz = 3/2で、磁気モーメントは2.49 μBであり、炭素格子との強いスピン結合を示している。
• NiドープGNRは、最低のスピン状態（Sz = 2/2）と1.26 μBの磁気モーメントを示し、さらにハイブリダイゼーションによって低下している。
• CoドープGNRは、上スピン電子に対して0.55 eV、下スピンに対して0.05 eVのバンドギャップを示す半金属的バンド構造を示しており、高いスピン偏極性を示している。
• 拡張[C96H6Co3]スーパーセルにおいて、強磁性状態が反強磁性状態よりもエネルギー的に安定であり、長距離にわたる強磁性結合を支持している。
• 結果から、Fe、Co、NiドープGNRは、炭素π共有結合系との相互作用により、強磁性スピン配列を支持でき、将来的なスピントロニクス応用が可能であると示唆されている。