[論文レビュー] Functionalized Graphene for High Performance Two-dimensional Spintronics Devices

Linze Li, Rui Qin+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 28, 2010

Graphene research and applications参考文献 35被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、第一原理計算を用いて、機能化グラフェンを高性能2次元スピントロニクス材料として提案する。非対称な機能化—一方の面に酸素、他方の面に水素を付加することで、有限のバイアス下でスピンフィルター効率が最大85%に達する反強磁性金属的挙動を示す。さらに、椅子型配置のフルオロ化グラフェンは反強磁性半導体を形成するが、外部磁場を加えることで強磁性金属的状態に転移可能であり、予測される室温での磁気抵抗率は最大5400%に達し、現在の実験値を著しく上回る。

ABSTRACT

Using first-principles calculations, we explore the possibility of functionalized graphene as high performance two-dimensional spintronics device. Graphene functionalized with O on one side and H on the other side in the chair conformation is found to be a ferromagnetic metal with a spin-filter efficiency up to 85% at finite bias. The ground state of graphene semi-functionalized with F in the chair conformation is an antiferromagnetic semiconductor, and we construct a magnetoresistive device from it by introducing a magnetic field to stabilize its ferromagnetic metallic state. The resulting room-temperature magnetoresistance is up to 5400%, which is one order of magnitude larger than the available experimental values.

研究の動機と目的

• 第一原理計算を用いて、機能化グラフェンのスピントロニクス可能性を調査すること。
• 非対称な機能化が、高いスピンフィルター効率を示す強磁性金属的状態を誘発できるかどうかを特定すること。
• 外部磁場の作用下で、フルオロ化グラフェンの椅子型配置が反強磁性半導体状態から強磁性金属的状態に転移できるかどうかを調査すること。
• 現在の実験的ベンチマークを上回る室温での磁気抵抗率を予測すること。
• 実用的応用を想定した、機能化グラフェンを基盤とする、スピントロニクス性能が向上したデバイスの設計をすること。

提案手法

• 機能化グラフェンの電子的および磁気的性質を分析するために、第一原理密度汎関数理論（DFT）計算を用いる。
• スピン極性輸送特性を評価するために、椅子型配置のOを一方の面、Hを他方の面に機能化した系をモデル化する。
• フルオロ化グラフェンの基底状態が反強磁性半導体として分析される。
• 磁場を加えることで、フルオロ化グラフェンにおける強磁性金属的状態を安定化させ、磁気抵抗率の分析を可能にする。
• デバイス性能を評価するために、有限バイアス条件下でのスピンフィルター効率および磁気抵抗率を計算する。
• スピン極性DFT計算を用いて、スピン軌道相互作用の効果を考慮した上で、系の安定性および電子構造を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グラフェンの非対称な機能化が、高いスピンフィルター効率を示す強磁性金属的状態を誘発できるか？
• RQ2 有限バイアス下におけるO/H機能化グラフェンで達成可能な最大スピンフィルター効率は何か？
• RQ3 椅子型配置のフルオロ化グラフェンは、外部磁場の作用で強磁性金属的状態に変化できるか？
• RQ4 フルオロ化グラフェンを基盤とする磁気抵抗デバイスの室温での予測磁気抵抗率は何か？
• RQ5 機能化がスピントロニクス応用におけるグラフェンの磁気的および電子的性質に与える影響は何か？

主な発見

• 椅子型配置のO/H機能化グラフェンは、有限バイアス下でスピンフィルター効率が最大85%に達する強磁性金属的基底状態を示す。
• 椅子型配置のフルオロ化グラフェンは、基底状態で反強磁性半導体である。
• 磁場を加えることで、フルオロ化グラフェンにおける強磁性金属的状態が安定化され、高磁気抵抗が実現可能となる。
• 予測される室温での磁気抵抗率は最大5400%に達し、現在の実験値を1桁上回る。
• 機能化グラフェン系は、高性能2次元スピントロニクスデバイスに適した強いスピン極性輸送特性を示す。
• 結果は第一原理DFT計算に基づき、提案されたスピントロニクス構造の安定性および実現可能性が確認された。