[论文解读] Gate Tunable Magnetism and Giant Magnetoresistance in ABC-stacked Few-Layer Graphene

Yongjin Lee, Shi Che+7 more|arXiv (Cornell University)|Nov 11, 2019

Graphene research and applications参考文献 41被引用 16

一句话总结

本研究在低掺杂（~10¹¹ cm⁻²）条件下，展示了ABC堆叠的少层石墨烯（r-FLG）中电场可调的磁性与巨磁阻效应，其中平带导致强电子关联，进而形成半金属态。所观测到的超过1000%的磁电导率及电导磁滞效应可通过栅压可逆调控，且在5 K以上或更高掺杂浓度下消失，该结果得到第一性原理计算的证实。

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.

研究动机与目标

• 研究在无d或f电子贡献的本征碳基体系中磁性的出现机制。
• 探讨菱面体堆叠的少层石墨烯（r-FLG）中的平带是否可通过电子-电子关联实现可调磁序。
• 在纯碳体系中实现对自旋极化与磁性的电场调控，以推动自旋电子学应用。
• 建立平带中电子关联与二维范德华异质结中巨磁阻效应之间的关联。

提出的方法

• 在具有上下栅的ABC堆叠少层石墨烯器件上开展实验，以调节载流子浓度与静电势。
• 在可变磁场与温度条件下进行电导率测量，以检测磁滞与磁阻效应。
• 采用第一性原理密度泛函理论（DFT）计算模拟电子结构，并确认掺杂r-FLG中半金属特性的存在。
• 应用Stoner准则评估高态密度平带中磁序的稳定性。
• 通过温度依赖性测量（最低至4.2 K）确定磁序的临界温度阈值。
• 通过栅压扫描将费米能级调入平带区域，从而实现对磁性与输运性质的调控。

实验结果

研究问题

• RQ1 在无磁性离子的完美碳晶格中，仅由平带中的电子关联是否可引发磁性？
• RQ2 在ABC堆叠的少层石墨烯中观测到的磁性是否可通过外加电场实现调控？
• RQ3 掺杂r-FLG中的磁阻效应的大小及其磁场依赖性如何？与传统材料相比有何差异？
• RQ4 磁序在何种掺杂与温度阈值下消失？这对机制有何启示？
• RQ5 第一性原理计算能否再现实验观测到的掺杂r-FLG中半金属态与自旋极化？

主要发现

• 在低掺杂（~10¹¹ cm⁻²）与低温（≤5 K）条件下观测到电导磁滞，表明存在亚稳态磁性。
• 测量到超过1000%的巨磁电导率，为强自旋依赖输运的典型特征。
• 当掺杂浓度超过10¹² cm⁻²或温度高于5 K时，磁阻与磁滞效应消失，表明发生相变。
• 第一性原理计算证实，在掺杂r-FLG中形成了半金属态，其自旋极化的平带位于费米能级附近。
• 磁化强度与自旋极化可通过栅压实现电控，从而实现对磁序的动态调控。
• 结果表明，由于平带中强电子关联的作用，由纯碳原子构成的体系可产生稳定且可电控的磁性。