Ferromagnetism in nitrogen-doped graphene

石墨烯 铁磁性 凝聚态物理 材料科学 氮气 兴奋剂 物理 纳米技术 光电子学 量子力学
作者
Rohit Babar,Mukul Kabir
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:99 (11) 被引量:62
标识
DOI:10.1103/physrevb.99.115442
摘要

Inducing a robust long-range magnetic order in diamagnetic graphene remains a challenge. While nitrogen-doped graphene is reported to be a promising candidate, the corresponding exchange mechanism remains unclear and is essential to tune further and manipulate magnetism. Within the first-principles calculations, we systematically investigate the local moment formation and the concurrent interaction between various nitrogen-containing defect complexes. The importance of adatom diffusion on the differential defect abundance is discussed. The itinerant magnetism in the graphitic N defects is found to be fundamentally different from the more localized moments in the vacancy-containing N complexes. The magnetic interaction between the complexes is found to depend on the concentration, complex type, sublattice, separation, and orientation. We propose that the direct exchange mechanism between the delocalized magnetic moment originating from the itinerant $\ensuremath{\pi}$ electron at the prevalent graphitic complexes to be responsible for the observed ferromagnetism. We show that B codoping further improves ferromagnetism. Present results will assist in the microscopic understanding of the current experimental results and motivate new experiments to produce robust magnetism following the proposed synthesis strategy.
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