石墨烯/铁/重金属异质结构中功函数的热辅助铁磁金属插层调控研究

为解决石墨烯(Gr)与铁磁材料(FM)界面电子特性调控难题，研究人员通过热辅助铁(Fe)插层技术，在Gr/Pt(1 1 1)和Gr/Ir(1 1 1)基底上构建了原子级平整的Gr/Fe/HM异质结构。利用LEED、XPS、UPS等技术证实了FCC结构Fe的层状外延生长，发现Gr功函数(WF)降低及面内磁化特性，为自旋电子学器件设计提供了新型材料平台。

　　

【研究背景】
石墨烯(Gr)因其独特的电子特性被誉为室温自旋电子学的理想材料，但当其与铁磁材料(FM)耦合时，界面粗糙度会显著影响性能表现。传统金属沉积易形成三维岛状生长，而Gr作为"表面活性剂"可诱导铁磁金属的逐层外延生长，形成原子级平整的Gr/FM/重金属(HM)异质结构。这类结构不仅能产生Rashba自旋轨道耦合(SOC)、垂直磁各向异性(PMA)等效应，还可通过调控Gr功函数(WF)实现界面相互作用的电学调节。然而，现有研究多集中于钴(Co)体系，对阻尼更低的铁(Fe)基材料研究不足，且缺乏对Gr/Fe界面WF的系统表征。

西班牙AEI/MICINN支持的研究团队在《Applied Surface Science》发表论文，通过热辅助Fe插层技术，在Gr/Pt(1 1 1)和Gr/Ir(1 1 1)基底上成功制备出具有陡峭界面的外延Gr/Fe/HM异质结构。结合同步辐射表征技术，首次揭示了Fe插层对Gr电子结构的调控机制，为自旋振荡器等低阻尼器件开发提供了新思路。

【关键技术】
研究采用直流溅射法在SrTiO₃
(1 1 1)基底上外延生长40 nm Pt/Ir缓冲层，通过化学气相沉积(CVD)制备单层Gr后，在10^?8
mbar真空环境下进行Fe热插层。利用低能电子衍射(LEED)监测晶体结构，X射线光电子能谱(XPS)分析化学状态，紫外光电子能谱(UPS)测定功函数变化，扫描透射电镜(STEM)表征界面原子排列，X射线磁圆二色性(XMCD)检测面内磁化特性。

【研究结果】

1. 结果与讨论
   实验证实500 K退火可实现Fe完全插层，覆盖率达75-90%。STEM显示Gr/Fe界面呈原子级陡峭，Fe以面心立方(FCC)结构外延生长。UPS测量发现Gr WF降低1.0-1.3 eV，源于Gr π电子与Fe 3d轨道的电荷转移。XMCD证实插层Fe呈现面内磁化，磁矩达2.2 μ_B
   /atom，优于块体Fe的2.15 μ_B
   /atom。

2. 结论
   研究建立了Gr/Fe/HM异质结构的可控制备方法，阐明Fe插层通过电荷重排调控Gr WF的机制。界面陡峭性保障了自旋相关效应的长程有序性，面内磁化特性为低阻尼器件开发奠定基础。

3. 讨论与意义
   该工作首次将Fe基材料引入Gr插层体系，填补了低阻尼材料研究的空白。WF的可调性为电控Dzyaloshinskii-Moriya相互作用(DMI)和PMA提供了新途径，所发展的热插层技术可推广至其他过渡金属体系。研究成果由Icíar Arnay等完成，得到西班牙MAD2D-CM等项目支持。