hBN/(Co, Ni) 上石墨烯中近邻诱导交换耦合理论

我们对通过几层（最多三层）六方氮化硼 (hBN) 由钴 (Co) 和镍 (Ni) 在石墨烯中诱导的近邻交换耦合进行了系统的第一性原理计算。我们发现，对于单层 hBN，诱导的石墨烯能带自旋分裂量级约为 10 meV，随着每增加一层绝缘层，其幅值减小但符号交替变化。我们发现，如果过渡金属的$d$能级接近狄拉克点发生共振，近邻交换效应可能是巨大的。我们的计算表明，这种效应可能存在于 Co 异质结构中，其中$d$能级与石墨烯的价带轨道强烈杂化。由于这种杂化具有自旋依赖性，即使在两层 hBN 的情况下，近邻自旋分裂也异常大，约为 10 meV。外加电场可以改变石墨烯与过渡金属轨道的偏移，并可能导致交换参数符号的反转。我们预测这种情况会发生在两层 hBN 的情形中，从而实现对石墨烯/hBN/Co 结构中近邻自旋极化（以及自旋注入）的电控。基于镍的异质结构表现出比基于钴的异质结构更弱的近邻效应。我们引入了两个唯象模型来描述第一性原理数据。最小模型包含石墨烯（有效）$p_z$轨道，可用于研究具有近邻交换的石墨烯中的输运，而$p_z$-$d$模型还包括与$d$轨道的杂化，这对于捕捉巨大的近邻交换至关重要。这两个模型的关键在于依赖赝自旋的交换耦合，这是描述价带和导带不同自旋分裂所必需的。