[论文解读] 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 5

一句话总结

本文通过第一性原理计算，提出将功能化石墨烯作为高性能二维自旋电子学材料。通过在两侧进行不对称功能化——一侧接氧，另一侧接氢，该体系在有限偏压下表现出铁磁金属性，自旋滤波效率高达85%。此外，呈椅式构型的氟功能化石墨烯为反铁磁半导体，可在外加磁场下转变为铁磁金属，从而实现高达5400%的室温磁阻，显著超过当前实验值。

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.

研究动机与目标

• 通过第一性原理计算，研究功能化石墨烯的自旋电子学潜力。
• 确定不对称功能化是否能诱导出具有高自旋滤波效率的铁磁金属性态。
• 探究外加磁场下，氟功能化石墨烯在椅式构型中由反铁磁半导体向铁磁金属态的转变行为。
• 预测超过当前实验基准的室温磁阻值。
• 设计一种基于功能化石墨烯的器件，以提升自旋电子学性能，适用于实际应用。

提出的方法

• 采用第一性原理密度泛函理论（DFT）计算，分析功能化石墨烯的电子与磁性性质。
• 模拟在椅式构型下，一侧接氧、另一侧接氢的功能化方式，以评估自旋极化输运行为。
• 分析氟功能化石墨烯在椅式构型下的基态，其为反铁磁半导体。
• 施加外磁场以稳定氟功能化石墨烯中的铁磁金属性态，从而实现磁阻分析。
• 在有限偏压条件下计算自旋滤波效率与磁阻，以评估器件性能。
• 采用考虑自旋轨道耦合效应的自旋极化DFT计算，评估体系的稳定性和电子结构。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可通过石墨烯的不对称功能化诱导出具有高自旋滤波效率的铁磁金属性态？
• RQ2 在有限偏压下，O/H功能化石墨烯的最大自旋滤波效率可达多少？
• RQ3 在椅式构型下，氟功能化石墨烯是否可通过外加磁场转变为铁磁金属？
• RQ4 基于氟功能化石墨烯的磁阻器件，其预测的室温磁阻值是多少？
• RQ5 功能化如何影响石墨烯的磁性与电子性质，以适用于自旋电子学应用？

主要发现

• 在椅式构型下，O/H功能化石墨烯表现出铁磁金属性基态，在有限偏压下自旋滤波效率高达85%。
• 在椅式构型下，氟功能化石墨烯在基态为反铁磁半导体。
• 施加外磁场可稳定氟功能化石墨烯中的铁磁金属性态，从而实现高磁阻。
• 预测的室温磁阻可达5400%，比现有实验值高出一个数量级。
• 功能化石墨烯体系展现出强自旋极化输运特性，适用于高性能二维自旋电子学器件。
• 研究结果基于第一性原理DFT计算，证实了所提出自旋电子结构的稳定性和可行性。