2024年1月26日，李曉光團(tuán)隊(duì)以“Graphene-modulated interfacial exchange coupling across organic molecular/ferromagnet spin interfaces”為題的論文，發(fā)表于《Physical Review B》。深圳大學(xué)高等研究院王雨副研究員為文章第一作者，李曉光研究員為通訊作者，學(xué)院王政助理教授參與該工作。該成果得到國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。

在納米尺度上實(shí)現(xiàn)對(duì)分子自旋態(tài)的操縱對(duì)發(fā)展新一代高性能、低能耗的自旋電子學(xué)、量子信息處理和磁存儲(chǔ)器件有著重要意義。近十幾年來，過渡金屬酞菁分子(TMPc)及其衍生物以結(jié)構(gòu)、功能的多樣性和穩(wěn)定性得到了研究者大量的關(guān)注，是研究分子自旋電子學(xué)相關(guān)應(yīng)用的理想載體。與此同時(shí)，過去的十幾年來，隨著二維材料石墨烯的發(fā)現(xiàn)，其自身獨(dú)特的電學(xué)、光學(xué)和力學(xué)性質(zhì)受到了人們廣泛的關(guān)注，也為自旋電子學(xué)的發(fā)展提供了一個(gè)新的研究思路。在二維材料中實(shí)現(xiàn)基于自旋的電子學(xué)應(yīng)用，將是一項(xiàng)結(jié)合兩者優(yōu)勢(shì)，極具研究?jī)r(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義的課題。相關(guān)問題的解決可為設(shè)計(jì)發(fā)展新一代微電子器件提供有借鑒價(jià)值的科學(xué)依據(jù)。

研究團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期聚焦于包含有機(jī)分子和石墨烯在內(nèi)的單分子自旋電子學(xué)體系的第一性原理設(shè)計(jì)。在此項(xiàng)工作中，研究團(tuán)隊(duì)以過渡金屬酞菁分子(TMPc)吸附鐵磁金屬鎳(Ni)表面為研究對(duì)象，進(jìn)一步考慮在分子和襯底之間插入單層石墨烯對(duì)體系電子結(jié)構(gòu)，尤其是對(duì)界面磁相互作用的影響。與過去石墨烯充當(dāng)緩沖層隔絕分子與襯底作用的簡(jiǎn)單認(rèn)知不同，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)石墨烯對(duì)磁性分子-鐵磁金屬界面的磁交換相互作用的調(diào)制作用。計(jì)算結(jié)果表明：當(dāng)一系列磁性TMPc分子(CrPc、MnPc、FePc、CoPc和CuPc)直接吸附在Ni(111)襯底時(shí)，分子-襯底之間的磁相互作用都是鐵磁的；而插入石墨烯后，此作用強(qiáng)度被削弱，而對(duì)于CoPc來說，原來的鐵磁作用變?yōu)榉磋F磁的。團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)這是由于石墨烯可以隔絕TMPc分子中心TM離子d軌道與襯底Ni原子d軌道之間的直接交換作用，同時(shí)削弱兩者之間經(jīng)過分子配體N原子連接的超交換相互作用。該研究為調(diào)控分子-金屬界面相互作用提供了有效途徑，為相關(guān)實(shí)驗(yàn)提供了重要的啟示，對(duì)設(shè)計(jì)與二維材料相集成的單分子自旋電子學(xué)器件具有重要指導(dǎo)意義。

圖1：TMPc/Ni(111)與TMPc/Gr/Ni(111) (TM=Co, Cu)體系中的磁交換相互作用機(jī)理示意圖

論文原文鏈接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevB.109.014428

（來源 高等研究院）