单空位石墨烯中交织的晶格形变与磁性

利用密度泛函计算，我们研究了石墨烯中产生孤立空位时的局域自旋矩形成和晶格形变。我们预测了两种相互竞争的平衡结构：一种基态平面构型，具有 1.5 $\mu_B$ 的饱和局域磁矩；以及一种亚稳态非平面构型，磁矩消失，能量代价适中，约为 50 meV。尽管非平面性缓解了空位引起的晶格应变，但由于最大局域化的缺陷态（v$\sigma$, v$\pi$），平面态在能量上更受青睐。在平面构型中，来自巡游（狄拉克）态的电荷转移削弱了 v$\pi$ 的自旋极化，产生分数磁矩，该磁矩通过洪德耦合与未配对的 v$\sigma$ 电子平行排列。在非平面构型中，正交对称性的缺失允许 v$\sigma$ 与局域 d$\pi$ 态相互作用，形成杂化的 v$\sigma^\prime$ 态。非正交性也破坏了洪德耦合的稳定性，v$\sigma$ 与 v$\pi$ 之间的反平行排列降低了能量。随着非平面性增加，v$\pi$ 自旋的逐渐翻转开启了存在具有平衡 v$\pi$ 自旋布居的中间结构的可能性。若这种结构在外部扰动下得以实现，稀释的空位浓度可能导致基于 v$\sigma$ 的自旋 1/2 顺磁性。