[논문 리뷰] Gate Tunable Magnetism and Giant Magnetoresistance in ABC-stacked Few-Layer Graphene

Yongjin Lee, Shi Che외 7명|arXiv (Cornell University)|2019. 11. 11.

Graphene research and applications참고 문헌 41인용 수 16

한 줄 요약

이 연구는 낮은 도핑(~10¹¹ cm⁻²) 조건에서 평탄한 밴드가 강한 전자 상호작용을 유도하여 반금속 상태를 만드는 ABC-적재된 소층 그래핀(r-FLG)에서 전기장에 의해 조절 가능한 자성 및 거대한 자기저항을 입증한다. 관측된 >1000%의 자기전도도 및 전도도 히스테리시스는 게이트 전압에 의해 가역적이며, 5 K 이상이거나 더 높은 도핑 조건에서는 사라지며, 이는 제1원리 계산에 의해 확인된다.

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.

연구 동기 및 목표

• d- 또는 f-전자 기여 없이 순수한 탄소 기반 시스템에서 자성이 어떻게 발생하는지 조사하기 위해.
• 삼주기적 적재된 소층 그래핀(r-FLG)의 평탄한 밴드가 전자-전자 상호작용을 통해 조절 가능한 자성 순서를 어떻게 유지할 수 있는지 탐구하기 위해.
• 스핀 편향 및 자성을 전적으로 탄소로 구성된 시스템에서 전기장 제어를 통해 실현하여 스핀트로닉스 응용에 기여하기 위해.
• 평탄한 밴드 내 전자 상관관계와 2차원 반데르발스 이종구조에서의 거대 자기저항 효과 사이의 연관성을 규명하기 위해.

제안 방법

• 상부 및 백 게이트를 갖춘 ABC-적재된 소층 그래핀 장치를 사용하여 실온에서 캐리어 농도 및 전기적 잠재력을 조절하는 실험을 수행하였다.
• 히스테리시스 및 자기저항을 탐지하기 위해 다양한 자기장 및 온도 조건에서 전도도 측정을 수행하였다.
• 전자 구조를 모델링하고 도핑된 r-FLG에서 반금속 성질을 확인하기 위해 제1원리 밀도함수이론(DFT) 계산을 사용하였다.
• 고밀도 상태를 가진 평탄한 밴드에서 자성 순서의 안정성을 평가하기 위해 스톤어 기준을 적용하였다.
• 자기 순서의 임계 온도 임계값을 규명하기 위해 온도 의존 측정(4.2 K까지)을 수행하였다.
• 게이트 전압 스윕을 통해 패피 수준을 평탄한 밴드 영역으로 조절하여 자성 및 전도성 특성의 제어를 가능하게 하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자기 이온이 없고 완벽한 탄소 격자에서, 평탄한 밴드 내 전자 상호작용에 의해 유도된 자성이 어떻게 발생할 수 있는가?
• RQ2 관측된 ABC-적재된 소층 그래핀의 자성이 외부 전기장에 의해 조절 가능한가?
• RQ3 도핑된 r-FLG에서 자기저항의 크기와 자기장 의존성은 무엇이며, 전통적 재료와 비교해 봤을 때 어떻게 다른가?
• RQ4 자기 순서가 사라지는 도핑 및 온도 임계값은 무엇이며, 이는 메커니즘에 대해 어떤 함의를 갖는가?
• RQ5 제1원리 계산이 실험적으로 관측된 반금속 상태 및 스핀 편향을 재현할 수 있는가?

주요 결과

• 낮은 도핑(~10¹¹ cm⁻²) 및 낮은 온도(≤5 K) 조건에서 전도도 히스테리시스가 관측되어, 비안정한 자성 상태의 존재를 시사한다.
• 자기장에 대한 반응으로 >1000%를 초월하는 거대한 자기전도도가 측정되었으며, 이는 강한 스핀 의존성 전도의 특징이다.
• 도핑 농도가 10¹² cm⁻²를 초과하거나 온도가 5 K를 초과하면 자기저항 및 히스테리시스 효과가 사라지며, 이는 상전이를 나타낸다.
• 제1원리 계산을 통해 도핑된 r-FLG에서 반금속 상태의 형성이 확인되었으며, 패피 수준 근처에서 스핀 편향된 평탄한 밴드가 존재한다.
• 자기화 및 스핀 편향은 게이트 전압에 의해 전기적으로 조절 가능하여 자성 순서의 동적 제어가 가능하다.
• 결과적으로, 강한 전자 상관관계에 기인한 평탄한 밴드에서 탄소 원자로만 이루어진 시스템에서도 견고하고 게이트 조절 가능한 자성이 발생할 수 있음을 입증한다.