用修饰的石墨烯构造二维的巨磁阻器件

从维度上分，材料总可以归为零维，一维，二维和三维。2004年石墨烯的发现使得真实的二维材料第一次出现在人们的面前，在科学界掀起了研究的热潮，并且获得了2010年的诺贝尔物理奖。除了具有极高的载流子迁移率，可以做成高表现的场效应晶体管，石墨烯还具有较长的自旋弛豫时间和长度，这使得其在自旋电子学领域内也有着重要的潜在应用价值。但基于纯石墨烯的自旋阀其磁阻较低，实验报道的值只有10%左右。二维材料的一个显著特点是有两个暴露的表面，从而提供了结构调制的自由度。北京大学物理学院吕劲高政祥老师指导本科生李林泽、博士生覃睿等，通过密度泛涵第一性原理的模拟，发现可以通过在石墨烯的一侧进行化学修饰或者两侧进行不同的化学修饰的办法大大提高石墨烯器件在自旋电子器件上的表现。一面修饰氧另一面修饰氢的石墨烯（O-graphene-H）具有高自旋极化的铁磁基态，在0.6 V偏压下其自旋过滤效率可达54%。单面修饰氟的石墨烯（F-graphene）的反铁磁基态能隙为1.17 eV，具有半导体性质，而其激发态是铁磁金属态。通过控制外界磁场便可以使该结构在铁磁和反铁磁状态之间转变，从而达到控制电流的目标。计算表明，该器件的室温磁阻可达2200%，比目前实验上的磁阻最高值高一个数量级。该工作为石墨烯材料在自旋电子学领域的应用开辟了新的道路，研究成果于2011年3月11日发表在纳米科技领域的国际著名杂志《ACS Nano》的网络版上http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nn102492g。

基于O-graphene-H的自旋过滤器和基于F-graphene的自旋阀的两电极模型以及它们的I-V曲线。自旋过滤器装置少数自旋的电流明显大于多数自旋，而自旋阀装置，铁磁态的电流明显大于反铁磁态。

该研究工作得到人工微结构和介观物理国家重点实验室，自然科学基金，科技部重大研究计划以及北京大学本科生科研计划的支持。