ACS AMI | 自旋零带隙半导体在碳基纳米材料中的实现

英文原题：Penta-Hexa-Graphene Nanoribbons: Intrinsic Magnetism and Edge Effect Induce Spin-Gapless Semiconducting and Half-Metallic Properties

通讯作者：陈仕长，清华大学；陈克求，湖南大学

作者：Yuan-Xiang Deng, Shi-Zhang Chen, Yong Zhang, Xia Yu, Zhong-Xiang Xie, Li-Ming Tang, Ke-Qiu Chen

近来，二维磁性材料的研究备受关注，而实际应用中，其纳米结构的稳定性、磁稳定性，及其电学特性仍有待研究。此外，人们在新型纳米材料中发现许多新奇的电子特性，包括半金属和自旋零带隙半导体性质。其中，半金属中一个自旋通道呈现金属性，而另一个自旋通道是绝缘体；自旋零带隙半导体的能带结构有四种类型，其显著的特征是一个自旋通道的导带底和另一个自旋通道的价带顶，或者同一自旋通道的价带顶和导带底，同时触及材料费米能级，能带整体呈现出“零带隙”。具有全电子和空穴自旋极化特性的半金属和自旋零带隙半导体是自旋电子学两个重要的应用对象，能广泛地应用于自旋电子器件中，如：自旋阀、自旋过滤器、自旋二极管等。

众所周知，石墨烯等碳基材料呈现出许多迷人的特性，已经成为材料和凝聚态物理领域的研究热点之一。然而，由于缺乏内禀的强磁性，导致人们没有在碳基材料中发现半金属和自旋零带隙半导体性质。近日，湖南工学院邓元祥博士等人基于具有本征磁性的二维五-六-石墨烯(PHG)，通过裁剪获取扶手椅型及锯齿型五-六-石墨烯纳米带(PHGNRs)，并采用第一性原理计算研究，在PHGNRs中发现了自旋零带隙半导体和半金属性质。

图1. PHG和PHGNRs结构模型

与石墨烯纳米带类似，PHGNRs结构具有良好的稳定性。与石墨烯纳米带不同的是，石墨烯纳米带的磁性来源于边界态，易受热涨落效应等外在因素影响；而PHGNRs的自旋电子密度主要分布在准 sp³ C 原子上，表明PHGNRs具有本征磁性，其磁稳定性更佳，其磁矩比石墨烯纳米带更大。研究表明，其磁性的基态(即铁磁态FM/反铁磁态AFM)随着纳米带带宽的增加而发生翻转，具体而言：锯齿型PHGNRs Z-2的基态为AFM，而宽度增加后，基态变为FM。

图2. PHGNRs结构稳定性及磁性特征分析

在AFM磁态下，扶手椅型PHGNRs呈现出半导体性质；在锯齿型PHGNRs中， Z-2是带隙非常小的半导体，随着纳米带带宽的增加， Z-3—Z-6呈现出金属性质。在FM磁态下，扶手椅型PHGNRs均呈现出半导体性质；而锯齿型PHGNRs中，Z-2呈现出自旋零带隙半导体特性，随着纳米带带宽的增加，Z-3—Z-6均呈现出半金属性质。

图3. PHGNRs能带结构特征

考虑到实际制备过程中，PHGNRs边缘不一定是理想的锯齿型或扶手椅型。以Z-4和A-5为例，作者进一步考虑三种不同类型的边缘形貌对其电子结构的影响，得到的六种结构包括：A-5-Ⅰ, A-5-Ⅱ, A-5-Ⅲ, Z-4-Ⅰ, Z-4-Ⅱ 和 Z-4-Ⅲ。在磁性基态下(FM态)，纳米带展现出丰富的电子性质：A-5-Ⅰ呈现出自旋零带隙半导体性质，A-5-Ⅱ和A-5-Ⅲ均为半导体；Z-4-Ⅰ呈现自旋零带隙半导体性质，Z-4-Ⅱ是典型的半金属性质，而Z-4-Ⅲ为半导体。因此，在PHNGRs中通过不同类型的边缘修饰，可获得更为丰富的自旋零带隙半导体、半金属和自旋极化半导体。

图4. 边缘修饰下PHGNRs的结构及其在FM态的能带结构

作者进一步研究A-5-Ⅰ和Z-4-Ⅰ的投影能带结构及电子布洛赫态分部发现，边缘态对于材料性质由半导体转为自旋零带隙半导体/半金属起着关键作用。这表明，通过结合边界效应，具有内禀磁性的材料可以呈现出丰富的自旋极化特性。

图5. A-5-Ⅰ和Z-4-Ⅰ投影能带结构及电子布洛赫态

最后作者指出，基于PHGNRs优异的自旋电子性质，这一类纳米带可作为制备超快、低功耗自旋电子器件的候选材料。

相关论文发表在ACS Applied Materials & Interfaces上，湖南工学院邓元祥博士为文章的第一作者，清华大学陈仕长博士后研究员、湖南大学陈克求教授为通讯作者。

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Penta-Hexa-Graphene Nanoribbons: Intrinsic Magnetism and Edge Effect Induce Spin-Gapless Semiconducting and Half-Metallic Properties

Yuan-Xiang Deng, Shi-Zhang Chen*, Yong Zhang, Xia Yu, Zhong-Xiang Xie, Li-Ming Tang, Ke-Qiu Chen*

ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, 12, 53088–53095, DOI: 10.1021/acsami.0c14768

Publication Date: November 16, 2020

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（本稿件来自ACS Publications）