石墨烯纳米带中对边缘不敏感的磁性与半金属性

在石墨烯/碳纳米结构中实现磁性是一个长达十年的挑战。锯齿形石墨烯纳米带中的磁性边缘态和半金属性尤其令人瞩目[Y.-W. Son等人, Nature 444, 347 (2006)]。然而，其实验实现一直受限于对单氢化锯齿形边缘的严格要求。利用第一性原理计算，我们预测自由载流子掺杂可以克服这一挑战，并在具有一般类型边缘结构的窄石墨烯纳米带中实现铁磁性和半金属性。该磁性存在于栅极掺杂实验的密度范围(~10^13 cm^-2)内，并具有高达每载流子17 meV的大自旋极化能，这引发了相当于几百特斯拉外磁场的塞曼分裂。最后，我们将这种对边缘不敏感的磁性的形成机制追溯到能带边缘附近电子态的量子限域，并揭示了磁性与带宽之间的标度律。我们的发现表明，将掺杂与量子限域相结合可能是在轻元素纳米结构中实现无过渡金属磁性的一般工具。