The Role of Local Orbital Hybridization in Band Gap Opening and Magnetism Induced by Single-Atom Doping in Graphene

石墨烯 磁性 Atom(片上系统) 兴奋剂 凝聚态物理 轨道杂交 带隙 材料科学 原子轨道 纳米技术 化学 物理 电子 量子力学 分子轨道理论 计算机科学 嵌入式系统
作者
Jianfei Xiang,Huimin Hu,Jin‐Ho Choi
出处
期刊:Physical Chemistry Chemical Physics [Royal Society of Chemistry]
标识
DOI:10.1039/d5cp00724k
摘要

In this study, we employ first-principles density functional theory calculations to investigate the impact of single-atom doping on the electronic band structure of graphene. Our results demonstrate that specific dopants induce a local transition in graphene's hybridization from sp2 to sp3, which plays a crucial role in the opening of the band gap and the emergence of magnetism. We also found that electron-donating dopants cause significant electron localization near the Fermi level, resulting in the formation of nearly flat band states. Furthermore, when a dopant contributes an extra electron to the graphene lattice, the localized flat-band electrons drive band splitting, induce spin polarization, and generate a net spin magnetic moment in the system. These findings offer fundamental insights into how single-atom doping modifies graphene's electronic and magnetic properties, highlighting its potential for spintronic applications and tunable electronic devices.
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