石墨烯/铁磁异质结构的抗空气氧化钛氧化物覆盖层：界面稳定性与磁性能保护新策略

本文推荐一种利用钛氧化物（TiOx）覆盖层保护石墨烯/钴（gr/Co）异质结构的新方法。该覆盖层在可见光波段具有高透明度，可维持界面垂直磁各向异性（PMA）和Dzyaloshinskii–Moriya相互作用（DMI），并有效阻止氧气渗透，显著提升样品在空气中的稳定性，为自旋电子器件（spintronic devices）的实际应用提供重要保障。

　　

Abstract

石墨烯/铁磁界面因其独特的磁性和电子性质在自旋电子器件中展现出广阔前景。石墨烯不仅可增强垂直磁各向异性（PMA）与Dzyaloshinskii–Moriya相互作用（DMI），还能作为保护层抑制底层金属氧化。然而，石墨烯的结构缺陷（如晶界、褶皱等）可能引起气体插层，导致铁磁层性能退化。本研究提出在单层石墨烯/钴薄膜异质结构上沉积钛氧化物（TiO_x）覆盖层以提高其空气稳定性。通过X射线光电子能谱（XPS）和X射线磁圆二色谱（XMCD）成像分析，证实该覆盖层未改变界面性质。磁光克尔效应（MOKE）测量显示，即使长时间暴露于大气环境，体系的磁性仍保持稳定。吸收谱模拟结果表明，该覆盖层在可见光区域具有良好透光性，使得在非超高真空（UHV）条件下进行原子界面效应的光学研究成为可能。钛氧化物因此成为一种理想且非侵入性的覆盖材料，适用于石墨烯基自旋电子异质结构。

1 Introduction

石墨烯作为一种二维碳材料，具有高载流子迁移率、优异导热性和机械强度，在电子学、光电子学及能源领域具有重要应用价值。与金属（如钴）形成界面后，可显著增强PMA和DMI，并产生自旋极化平带等新颖电子现象。然而，石墨烯的结构缺陷易导致氧气和水分插层，进而引起底层金属氧化，严重影响器件长期稳定性。多层石墨烯虽可缓解该问题，但单层石墨烯的保护效果仍有限。本研究通过在氧气氛围中沉积钛覆盖层，构建TiO_x保护层，系统研究其对gr/Co界面化学结构、磁性能以及空气稳定性的影响，并评估其在光学测量中的适用性。

2 Results and Discussion

实验以铼（Re(0001)）单晶为衬底，通过化学气相沉积（CVD）在其表面生长单层石墨烯，再沉积5 ML钴薄膜，形成gr/Co异质结构。低能电子显微镜（LEEM）和低能电子衍射（LEED）表明样品具有均匀的晶体结构和界面特性。XPS显示C 1s结合能为285.0 eV，与典型gr/Co界面一致。

随后在氧气氛围中沉积钛，形成TiO_x覆盖层。在0.4 ML_eq覆盖时，LEEM-IV曲线出现氧相关特征，表面功函数增加0.15 eV，LEED显示覆盖层呈非晶态。XPS中Ti 2p谱显示TiO₂和缺氧钛氧化物共存，O 1s谱进一步证实TiO₂形成。C 1s信号强度降至46%，但谱形未变。

当覆盖层增至2 ML_eq时，LEEM-IV中石墨烯/钴特征信号被抑制，MEM-LEEM过渡能偏移0.30 eV，LEED仅剩镜面反射斑，表明覆盖层完全且无序。XPS中C 1s信号进一步减弱至29%，Ti 2p中缺氧组分强度增加，可能与X射线诱导还原有关。

XMCD-PEEM成像显示，无论覆盖层厚度如何，钴薄膜均保持面外磁化，磁畴尺寸约880±30 nm，磁二向色性不对称性无显著变化。MOKE测量进一步证实，覆盖层沉积后磁滞回线形状、克尔旋转角和矫顽力均保持不变。即使将覆盖层增至10 ML_eq并暴露于大气15天，磁性参数仍稳定（克尔旋转角约30.5 mdeg，矫顽力约84.5 mT）。相比之下，未覆盖样品在短期暴露后即出现磁性退化。

吸收谱模拟表明，5 nm厚TiO₂覆盖层在可见光范围（如400 nm和600 nm）吸收率极低，光可有效穿透至底层界面，适用于光学和X射线实验。

3 Conclusion

本研究成功开发了一种钛氧化物覆盖层技术，可有效保护gr/Co界面免受大气氧化，同时保持其磁性和电子特性。XPS、XMCD和MOKE结果一致表明，该覆盖层均匀、非晶态且不影响底层钴的磁畴结构。可见光及X射线范围内的透光性使其适用于多种光谱研究。该策略为石墨烯/金属异质结构在实际环境中的应用提供了重要技术支撑。

4 Experimental Section

样品制备在超高真空（UHV）环境中进行，Re(0001)单晶经氩离子溅射和高温退火清洁。石墨烯通过乙烯CVD在670 K下生长，钴和钛采用电子束蒸发沉积，钛沉积时通入氧气（2×10^?7 mbar）。表征手段包括LEEM、LEED、XPS、XMCD-PEEM和MOKE，空间分辨率达10 nm（LEEM）和30 nm（XPEEM）。光学吸收计算基于传输矩阵方法，材料折射率数据来自文献。

Acknowledgements

本研究得到CERIC-ERIC内部项目MAG-ALCHEMI及欧洲研究委员会（ERC starting grant No. 715452 MAGNETIC-SPEED-LIMIT）支持。

Conflict of Interest

作者声明无利益冲突。