[論文レビュー] Magnetism in Graphene Induced by Single-Atom Defects

Oleg V. Yazyev, Lothar Helm|arXiv (Cornell University)|Oct 23, 2006

Graphene research and applications被引用数 802

ひとこと要約

本研究では、グラフェン中の単一原子欠陥—具体的には水素の化学吸着およびバニティ—が、フェルミ準拠における欠陥誘起準局在状態を介して移動性磁性を誘発することを示している。第一原理的DFT計算により、水素欠陥あたり1 μB、バニティあたり1.12–1.53 μBの磁化モーメントが得られ、欠陥が同じサブラティス上にある場合には強磁性結合が、異なるサブラティス上にある場合には反強磁性結合が生じることを示した。これは、炭素系材料における高T_C磁性の道筋を示唆している。

ABSTRACT

We study from first principles the magnetism in graphene induced by single carbon atom defects. For two types of defects considered in our study, the hydrogen chemisorption defect and the vacancy defect, the itinerant magnetism due to the defect-induced extended states has been observed. Calculated magnetic moments are equal to 1 $μ_B$ per hydrogen chemisorption defect and 1.12$-$1.53 $μ_B$ per vacancy defect depending on the defect concentration. The coupling between the magnetic moments is either ferromagnetic or antiferromagnetic, depending on whether the defects correspond to the same or to different hexagonal sublattices of the graphene lattice, respectively. The relevance of itinerant magnetism in graphene to the high-$T_C$ magnetic ordering is discussed.

研究の動機と目的

• 放射線照射または水素プラズマ処理を施した試料で観測された実験的磁性の起源を解明すること。
• 単一原子欠陥—水素の化学吸着およびバニティ—が、グラフェンに安定した移動性磁性を誘発できるかどうかを特定すること。
• サブラティス配置に基づいた、欠陥誘起磁化モーメント間の磁性結合の性質（強磁性対反強磁性）を明確にすること。
• 欠陥工学を施したグラフェンにおける高キュリー温度（高T_C）磁性秩序の可能性を評価すること。

提案手法

• SIESTAコードを用いた第一原理的密度汎関数理論（DFT）計算、交換相関関数としてPBE-GGAを採用。
• スピン非制限計算と、シフトされたモンクホルスト・パックkポイントグリッド（カットオフ100ボーア）を用いて2次元ブリユアンゾーンをサンプリング。
• 欠陥濃度を変化させた周期的スーパーセルを構築（n = 2–6）、これにより欠陥間隔は約9〜25 Å、濃度は約0.5%〜2.5%に相当。
• スピン密度分布および欠陥状態の波動関数を分析し、準局在状態とそのスピン極化を同定。
• スティーナー像を適用して磁性秩序の起源と間接的スピン極化効果の役割を解釈。
• フェルミ接触ハイパーファイン相互作用の計算により、水素終末欠陥における電子スピンと陽子スピンの結合を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 結合していない原子価やd/f電子系を必要とせずに、グラフェン中の単一原子欠陥が移動性磁性を誘発できるか？
• RQ2 グラフェンにおける欠陥誘起磁化モーメント間の磁性結合（強磁性対反強磁性）は、何によって決定されるか？
• RQ3 欠陥濃度およびサブラティス上での配置が、磁化モーメントの大きさと安定性にどのように影響するか？
• RQ4 欠陥誘起移動性磁性は、放射線処理を施したグラファイトで観測された高T_C強磁性をどの程度説明できるか？
• RQ5 電子相関およびスピン極化は、欠陥工学を施したグラフェンにおける磁性秩序の媒介に果たす役割は何か？

主な発見

• 水素化学吸着欠陥は、フェルミ準拠における準局在状態のおかげで、欠陥あたり正確に1 μBの磁化モーメントを誘発する。
• バニティ欠陥は、欠陥濃度および再構成状態に応じて、1.12 μBから1.53 μBまでのより大きな磁化モーメントを生成する。
• 同じサブラティス上に配置された欠陥（α–α または β–β）では強磁性結合が発生し、異なるサブラティス上にある場合（α–β）には反強磁性結合が生じる。
• 磁性秩序はスティーナー機構によって駆動されており、同じサブラティス配置ではスピン極化が振動しないことで交換エネルギーが最小化される。
• スピン密度分布は、偶数番目の近接原子で1/3の負のスピン極化と、奇数番目の近接原子で強化された正のスピンを示し、ポリアセチレンにおけるソリトン行動に類似している。
• 水素終端欠陥における陽子スピンと欠陥状態電子との間に約35ガウスの強いフェルミ接触ハイパーファイン相互作用が観測され、炭素ナノ構造における核スピンベースの量子計算への応用可能性を示唆している。