理解石墨烯-CrSBr异质结构中的磁邻近效应

《Applied Surface Science》：Understanding the magnetic proximity effect in graphene-CrSBr heterostructures

磁邻近效应在石墨烯-CrSBr异质结中的起源及调控机制研究。通过第一性原理计算发现，CrBr缺陷导致Dirac锥自旋分裂约24 meV，与实验观测的27 meV高度吻合。电荷补偿点附近自旋极化率随载流子浓度变化，且电场可显著调控自旋极化率。

　　

毛瑞琳|冯泽豪|李忠耀

上海科技大学理学院，上海200093，中国

摘要

磁近邻效应（MPE）可以在石墨烯的狄拉克锥中诱导交换分裂，从而提高其在自旋电子学中的应用。在最近的实验中[Nat. Commun. 15, 4459 (2024)]，在石墨烯-CrSBr异质结构中观察到了MPE现象。然而，MPE的起源仍然不清楚。在这项工作中，我们通过第一性原理计算研究了石墨烯-CrSBr异质结构中的MPE。从我们的计算结果来看，在掺铬的异质结构中可以明显观察到狄拉克锥的自旋分裂。在石墨烯的电荷补偿点附近，自旋分裂约为24 meV，与实验观察到的自旋分裂（约27 meV）非常接近。我们进一步研究了石墨烯中的载流子浓度和载流子的自旋极化率。自旋极化率可以通过电场进行调整，其变化趋势与实验结果相似。我们的计算表明，观察到的MPE很可能是由铬掺杂缺陷引起的。

引言

由于石墨烯具有诸如弱自旋-轨道相互作用、长自旋扩散长度和高电子迁移率等特殊性质，它引发了二维（2D）材料研究的热潮[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。然而，由于石墨烯缺乏磁性，它无法自发地产生自旋电流，因此仍然是自旋电子器件的被动组成部分[2]、[7]、[8]。目前大量的研究致力于向石墨烯中注入自旋并诱导磁性[9]、[10]、[11]、[12]、[13]。磁近邻效应（MPE）改变了这一现状[2]、[8]、[14]。将石墨烯与磁性材料接触可以诱导其能带结构中的交换能位移，从而提高其自旋过滤能力[8]、[14]、[15]。

基于第一性原理计算，石墨烯的π轨道的自旋极化可以由石墨烯-EuO相互作用引起，交换分裂的带隙最大可达约36 meV[16]。系统研究了不同磁性绝缘体（EuO、EuS、CoFe₂O₄和Y₃Fe₅O₁₂）对石墨烯中MPE的影响[17]。在狄拉克点观察到的交换分裂范围从几十meV到几百meV不等。在过渡金属磷硫属化合物MPX₃（M：Mn、Fe、Ni、Co，X：S、Se）的单层上，交换分裂范围为0到10 meV[18]。实验中，单层石墨烯与二维铁磁体CrBr₃之间的MPE会产生显著的塞曼分裂场[19]。有报道称，在石墨烯和铬卤化物磁性绝缘体（CrI₃、CrBr₃和CrCl₃）的异质结构中，MPE可以通过栅极调控[20]。

在石墨烯与磁性材料的异质结构中，石墨烯的自旋相关性质与磁性材料密切相关。铬硫溴化物（CrSBr）是一种二维磁性正交范德华半导体，每一层都有两个不等价的晶体学方向[21]。单层CrSBr的晶格常数约为 = 3.54 ?和 = 4.73 ?[21]、[22]、[23]。它是一种铁磁（FM）半导体，带隙为1.3 eV[24]，居里温度（T_C）约为146 K[21]、[25]。最近，Talieh S. Ghiasi等人[14]检测到与二维反铁磁（AFM）CrSBr层接触的双层石墨烯中的导电性自旋极化。自旋输运测量显示双层石墨烯中的导电性具有高达14%的自旋极化。有趣的是，将双层石墨烯与范德华AFM CrSBr结合会导致量子霍尔效应的非传统表现[8]。实验结果表明，在狄拉克点存在约27 meV的交换位移。此外，在没有磁场的情况下，石墨烯中载流子的自旋极化率可以通过电场调节，范围从-50%到+69%[8]。然而，还需要进一步的研究来详细了解CrSBr对石墨烯的MPE机制[8]。

为了解释CrSBr在石墨烯上产生MPE的起源[8]，我们构建了多个石墨烯-CrSBr异质结构，通过第一性原理计算探讨了单层石墨烯的自旋依赖电子结构及其MPE机制。从我们的计算结果来看，在原始的石墨烯-CrSBr异质结构中，石墨烯在狄拉克点附近没有明显的自旋分裂。然而，在含有Cr位于Br反位缺陷（Cr_Br-defect）的石墨烯-CrSBr异质结构中可以观察到明显的自旋分裂。观察到的MPE可能是由石墨烯-CrSBr异质结构中的Cr_Br-defect引起的。

计算模型和方法

所有计算均使用维也纳从头算模拟包（VASP）[26]进行，基于投影增强波（PAW）方法[27]。电子交换相关势采用广义梯度近似（GGA）[28]和Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）[29]泛函处理。截止能量设置为400 eV，采用了以Γ点为中心的3 × 15 × 1 k网格。总能量收敛的容忍度小于10^?6 eV，原子上的力...

原始石墨烯-CrSBr异质结构

图2显示了原始石墨烯-CrSBr异质结构（原始模型）的能带结构。如图2(a)所示，石墨烯的狄拉克区位于费米能级之上，自旋向上的导带位于费米能级。这表明石墨烯向CrSBr转移了电荷。根据Bader电荷计算，转移的电荷约为0.2e。因此，该异质结的总磁矩（30.2 μ_B）略大于孤立CrSBr的磁矩

结论

为了理解实验中观察到的石墨烯-CrSBr异质结构中的MPE（磁近邻效应）[8]，我们研究了多个石墨烯-CrSBr异质结构的电子结构。在原始的石墨烯-CrSBr异质结构（原始模型）中，狄拉克点处出现了约20 meV的带隙，但没有观察到明显的狄拉克锥自旋分裂。然而，在石墨烯的电荷补偿点附近观察到了约24 meV的明显自旋分裂

作者贡献声明

毛瑞琳：撰写——初稿、可视化、方法论、研究、形式分析、数据管理、概念化。冯泽豪：撰写——初稿、可视化、研究、形式分析、数据管理。李忠耀：撰写——审稿与编辑、验证、监督、方法论、研究、形式分析、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本文中的数值计算是在合肥先进计算中心完成的。这项工作还得到了上海科技大学高性能计算中心的支持。