Research Abstract
ジグザグ端をもつナノグラフェンリボンにおける電荷励起とスピン励起の変調
Tuning Charge and Spin Excitations in Zigzag Edge Nanographene Ribbons
2012年7月18日 Scientific Reports 2 : 519 doi: 10.1038/srep00519
グラフェンナノリボン(グラフェンをナノスケールでリボン状にしたもの)では、さまざまな方法で電子的・磁気的・機械的特性を制御することができる。このため、グラフェンを基にした次世代電子デバイスを実現するための格好のプラットフォームとなる。しかし、ナノスケールサイズのグラフェンでは、電子の運動が空間的に制限されるため、電子-電子相互作用が重要な役割を果たすようになる。今回我々は、ハバードハミルトニアンに基づき、多体配置間相互作用（CI）の方法を用いてジグザグ端をもつグラフェンナノリボン（ZGNR）の磁気伝導特性を調べた。１炭素原子あたり１電子存在するハーフフィリングの場合、多体基底状態はジグザグ端に沿って強磁性的なスピン-スピン相関を示しており、一電子理論から得られた結果が裏付けられる。しかし、ホールをドーピングすることによって、スピン励起と電荷励起のギャップが減少し、基底状態が伝導性および磁性をもつことが分かった。また我々は、ZGNRの低ネルギー領域での電荷・スピン励起スペクトルの振る舞いが、2状態モデルによって説明できることを示すとともに、さらに、ホールを介した磁気伝導状態を確認する実験的アプローチについても論じている。
Sudipta Dutta & 若林 克法
- 独立行政法人 物質・材料研究機構WPI-MANA
Graphene and its quasi-one-dimensional counterpart, graphene nanoribbons, present an ideal platform for tweaking their unique electronic, magnetic and mechanical properties by various means for potential next-generation device applications. However, such tweaking requires knowledge of the electron-electron interactions that play a crucial role in these confined geometries. Here, we have investigated the magnetic and conducting properties of zigzag edge graphene nanoribbons (ZGNRs) using the many-body configuration interaction (CI) method on the basis of the Hubbard Hamiltonian. For the half-filled case, the many-body ground state shows a ferromagnetic spin-spin correlation along the zigzag edge, which supports the picture obtained from one-electron theory. However, hole doping reduces the spin and charge excitation gap, making the ground state conducting and magnetic. We also provide a two-state model that explains the low-lying charge and spin excitation spectrum of ZGNRs. An experimental setup to confirm the hole-mediated conducting and magnetic states is discussed.
