石墨烯上 Tb 吸附原子的低能磁性态

本文结合密度泛函理论与包含自旋-轨道耦合的多组态量子化学技术，从头计算研究了石墨烯上 Tb 吸附原子的电子结构与磁相互作用。我们确定六重对称的空心位为优先吸附位，并研究了不同吸附原子氧化态（包括 Tb$^{3+}$、Tb$^{2+}$、Tb$^{1+}$ 和 Tb$^{0}$）的电子能谱。对于所有电荷态，Tb $4f^8$ 组态均得以保留，其他吸附原子的价电子则分布在 $5d_{xy}$、$5d_{x2+y2}$ 和 $6s/5d_0$ 单电子轨道上。我们发现存在强烈的吸附原子格内交换耦合，确保 $5d6s$ 自旋与 $4f$ 自旋平行。对于 Tb$^{3+}$，其能级可由石墨烯晶体场劈裂的 $J=6$ 多重态来描述。对于其他氧化态，在自旋-轨道耦合存在下，$4f$ 电子与 $6s5d$ 电子的自旋及轨道自由度的相互作用导致低能能谱由被石墨烯晶体场劈裂的密集分布的有效多重态组成。由于单轴磁各向异性以及由温度辅助的量子磁化隧穿穿过第三激发双重态所控制的有效各向异性势垒（约 440 cm$^{-1}$），预测 Tb$^{3+}$ 和 Tb$^{2+}$ 吸附原子具有稳定的磁矩。另一方面，在 Tb$^{1+}$ 和 Tb$^{0}$ 吸附原子中发现了面内磁各向异性。我们的结果表明，$6s5d$ 轨道的占据能够显著影响稀土吸附原子的磁各向异性与磁矩稳定性。