中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：石墨烯以其獨(dú)特的線性能量色散關(guān)系、高載流子遷移率和優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)等在凝聚態(tài)物理及材料科學(xué)領(lǐng)域引起了廣泛的研究興趣，并有望在未來(lái)核心信息器件與電路中獲得應(yīng)用。近年來(lái), 中科院物理所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（籌）高鴻鈞研究組在高質(zhì)量石墨烯研究方面取得了一系列突破性進(jìn)展，他們提出了基于表面外延的石墨烯生長(zhǎng)技術(shù)，在Ru(0001)等金屬表面獲得高質(zhì)量、大面積、連續(xù)的單晶石墨烯[Chin. Phys. 16, 3151(2007); Adv. Mater. 21, 2777 (2009)]，并對(duì)其物理性質(zhì)和結(jié)構(gòu)調(diào)制進(jìn)行了系列研究[J. Am. Chem. Soc. 131, 14136(2009); Phys. Rev. Lett. 105, 219701 (2010); J. Phys.: Condens. Matter 22, 302001 (2010) (Cover Story)]。他們還首次提出了“原位非轉(zhuǎn)移”的硅插層技術(shù)，成功地將該“高質(zhì)量”的石墨烯“直接”置于硅材料上[Appl. Phys. Lett. 100, 093101 (2012)(Cover story); 100, 083101 (2012) ; 102, 093106 (2013)]。
石墨烯的磁性可來(lái)源于其部分填充的電子態(tài)，如缺陷或邊界態(tài)，且磁性比較弱。為獲得基于石墨烯的自旋電子器件，許多理論工作致力于研究石墨烯上磁性雜質(zhì)原子的自旋態(tài)。磁性雜質(zhì)的局域自旋與傳導(dǎo)電子強(qiáng)關(guān)聯(lián)相互作用在低溫（T ≤ Tk）下可形成近藤（Kondo）現(xiàn)象，近藤溫度（Tk）取決于磁性雜質(zhì)與基底的耦合強(qiáng)度以及基底傳導(dǎo)電子在費(fèi)米面附近的態(tài)密度。自由狀態(tài)的石墨烯由于在費(fèi)米面附近電子態(tài)密度趨近于零而很難觀察到近藤效應(yīng)。很多理論預(yù)言可通過(guò)摻雜或加偏壓等方式獲得n型（p型）石墨烯，調(diào)制其費(fèi)米面附近的電子態(tài)密度，從而調(diào)制石墨烯上磁性原子的自旋態(tài)，有可能實(shí)現(xiàn)近藤效應(yīng)。然而，實(shí)驗(yàn)上人們嘗試了在很多不同的襯底上，都未有觀測(cè)到石墨烯表面磁性雜質(zhì)原子的近藤效應(yīng)。
最近，該研究組的郭海明博士、任金東和武旭同學(xué)等利用極低溫矢量磁場(chǎng)掃描隧道顯微鏡/掃描隧道譜（STM/STS）技術(shù)，以Ru(0001)單晶上的單層石墨烯為基底，通過(guò)其上外延石墨烯的周期性摩爾（Moiré）條紋結(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)制石墨烯的態(tài)密度和單個(gè)鈷磁性原子的自旋，在實(shí)驗(yàn)上首次觀測(cè)到了石墨烯上磁性原子的近藤效應(yīng)，并深入研究了它的位置依賴(lài)關(guān)系以及形成機(jī)理。通過(guò)對(duì)基底上低溫（~20 K）沉積的單原子鈷的STS研究，他們發(fā)現(xiàn)只有在石墨烯摩爾周期結(jié)構(gòu)的atop區(qū)域邊界位置上吸附的鈷原子，才會(huì)在費(fèi)米面附近出現(xiàn)一個(gè)共振峰，變溫和變磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)證明了該共振峰是由磁性雜質(zhì)鈷原子的近藤效應(yīng)引起。此外，他們發(fā)現(xiàn)atop區(qū)域邊界的不同位置會(huì)進(jìn)一步調(diào)制近藤溫度：緊鄰fcc區(qū)域的邊界位置上吸附的鈷的近藤溫度會(huì)比緊鄰hcp區(qū)域的近藤溫度更低。該研究組與美國(guó)Vanderbilt大學(xué)的張余洋博士、S. T. Pantelides教授和蘭州大學(xué)的羅洪剛教授合作進(jìn)行第一性原理計(jì)算。結(jié)果表明對(duì)于Ru(0001)上外延的石墨烯，由于其摩爾周期結(jié)構(gòu)不同區(qū)域與Ru基底的間距不同，對(duì)石墨烯電子態(tài)密度、與鈷原子的交換耦合作用能以及鈷原子磁矩進(jìn)行調(diào)制。只有在atop的邊界位置上吸附的鈷原子具有較大磁矩和適合的態(tài)密度，在低溫下（4.2 K）觀測(cè)到近藤效應(yīng)。通過(guò)向Ru與石墨烯間插入單層硅，減弱了石墨烯與基底的相互作用，費(fèi)米面處態(tài)密度大大降低，類(lèi)似于自由狀態(tài)石墨烯，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)石墨烯上鈷磁性原子的近藤效應(yīng)消失。
該項(xiàng)工作第一次從實(shí)驗(yàn)上直接觀察和證實(shí)了石墨烯上單個(gè)磁性雜質(zhì)原子的近藤效應(yīng)，并通過(guò)基底對(duì)其近藤溫度實(shí)現(xiàn)了調(diào)控。這一成果對(duì)石墨烯和磁性雜質(zhì)相互作用的深入研究是一個(gè)重大進(jìn)展，對(duì)石墨烯在自旋電子學(xué)中的潛在應(yīng)用具有重要意義。相關(guān)工作發(fā)表在《納米快報(bào)》雜志上【Nano Letters, 14, 4011 (2014)】。
此項(xiàng)工作得到了科技部973、國(guó)家自然科學(xué)基金委和中國(guó)科學(xué)院等計(jì)劃的支持。
相關(guān)工作鏈接：http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl501425n
圖一：?jiǎn)螌邮┥蠁蝹€(gè)鈷磁性原子近藤效應(yīng)調(diào)控的示意圖。
圖二： a, Ru(0001)上外延石墨烯摩爾周期atop區(qū)域邊界上不同鈷原子吸附的STM圖；b, 在不同吸附位的鈷原子上測(cè)量的費(fèi)米面附近的掃描隧道譜（STS）曲線，紅色和黑色實(shí)線是相應(yīng)的STS譜Fano擬合；c, atop區(qū)域邊界上鈷原子不同吸附位置的示意圖。
圖三： 石墨烯上鈷原子費(fèi)米面附近近藤共振峰的磁場(chǎng)依賴(lài)關(guān)系。圖a和b分別對(duì)應(yīng)圖一中atop區(qū)域邊界上兩個(gè)不同位置吸附的鈷原子近藤共振峰隨磁場(chǎng)的變化。圖c是近藤峰的塞曼劈裂擬合結(jié)果。
圖四： 在石墨烯/Ru(0001)上插硅后鈷磁性原子的近藤效應(yīng)消失。
