最近，我所物质计算科学研究室郑小宏副研究员和曾雉研究员等所在的课题组在如何稳定具有锯齿形边沿的石墨烯纳米带的反铁磁基态等的相关研究中获得新的进展。这些结果对石墨烯纳米带在纳米电子器件和自旋电子器件中的具体应用以及对相关实验工作的开展具有重要的指导意义。

具有锯齿形边沿的石墨烯纳米带受到了人们的广泛关注，这是因为其两边存在边沿态和边沿磁矩，从而被认为在自旋电子器件中有着重要的应用。为满足自旋电子器件对材料性能的要求，人们提出了多种方案来在这种纳米带中获得半金属性（材料中只有一种自旋的电子导电，而另一种自旋的电子完全不导电），这是自旋电子器件所希望的理想性质。然而，所有目前提出的获得半金属性的方案都面临着一个共同的问题：石墨烯纳米带中的这种性质是建立在其反铁磁基态上的，而这种纳米带中能量稍高的铁磁态和反铁磁基态之间的能量差很小，只能达到几个meV。这意味着很低的温度就可以把体系转变成顺磁态，从而破坏所获得的半金属性。因此，提高体系中反铁磁基态和铁磁态之间的能量差，从而稳定体系的反铁磁基态成为这种材料中的半金属性在自旋电子器件中获得实际应用的关键。

我所的科技人员通过第一性原理计算研究发现，如果把具有锯齿形边沿的石墨烯纳米带边沿具有悬挂键的每个碳原子用两个氢原子饱和（双氢化），那么和单氢化相比，纳米带中的反铁磁基态和铁磁态间的能量差将可以提高将近一个数量级；对于部分纳米带，其能量差可以达到30meV以上，将器件的工作温度提高到了室温。其原因在于相较于单氢化，双氢化的纳米带中具有更大的边沿磁矩，局域的边沿态向纳米带中心衰减的速度更慢，从而双氢化的纳米带中的磁相互作用更强。这种双氢化的纳米带比单氢化或其它方式饱和的纳米带在自旋电子器件的应用中更具吸引力。相关结果作为Rapid Communication发表在Physical Review B上【见Phys. Rev. B 86, 081408(R) (2012)】。

 此外，该课题组的研究还发现，在采用单氢和双氢混合饱和的石墨烯纳米带所构成的异质结中，通过调节外磁场的方向可以调节不同自旋的导带和价带波函数的对称性的转变，得以调控两种不同饱和方式下的纳米带中的波函数的对称性匹配或者不匹配，从而实现体系处于导电和不导电两种状态，获得显著的巨磁阻效应。相关结果发表在Applied Physics Letters上【见Appl. Phys. Lett. 101, 053101 (2012)】。

本研究工作受国家自然科学基金、973项目和院知识创新方向性项目的资助，计算任务在中科院超算中心合肥分中心完成。