Spin splitting of dopant edge state in magnetic zigzag graphene nanoribbons

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作者
Raymond Blackwell,Fangzhou Zhao,Erin F. Brooks,Junmian Zhu,Ilya Piskun,Shenkai Wang,Aidan Delgado,Yea‐Lee Lee,Steven G. Louie,Felix R. Fischer
出处
期刊:Nature [Nature Portfolio]
卷期号:600 (7890): 647-652 被引量:205
标识
DOI:10.1038/s41586-021-04201-y
摘要

Spin-ordered electronic states in hydrogen-terminated zigzag nanographene give rise to magnetic quantum phenomena1,2 that have sparked renewed interest in carbon-based spintronics3,4. Zigzag graphene nanoribbons (ZGNRs)-quasi one-dimensional semiconducting strips of graphene bounded by parallel zigzag edges-host intrinsic electronic edge states that are ferromagnetically ordered along the edges of the ribbon and antiferromagnetically coupled across its width1,2,5. Despite recent advances in the bottom-up synthesis of GNRs featuring symmetry protected topological phases6-8 and even metallic zero mode bands9, the unique magnetic edge structure of ZGNRs has long been obscured from direct observation by a strong hybridization of the zigzag edge states with the surface states of the underlying support10-15. Here, we present a general technique to thermodynamically stabilize and electronically decouple the highly reactive spin-polarized edge states by introducing a superlattice of substitutional N-atom dopants along the edges of a ZGNR. First-principles GW calculations and scanning tunnelling spectroscopy reveal a giant spin splitting of low-lying nitrogen lone-pair flat bands by an exchange field (~850 tesla) induced by the ferromagnetically ordered edge states of ZGNRs. Our findings directly corroborate the nature of the predicted emergent magnetic order in ZGNRs and provide a robust platform for their exploration and functional integration into nanoscale sensing and logic devices15-21.
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