ACSNano石墨烯与CrSBr异质结邻近诱导电荷转移、应变与可能磁交换

研究背景

　　石墨烯与 CrSBr 组成的异质结此前已表现出沿单一方向传播的表面等离极化激元与非常规量子霍尔效应，这些宏观响应说明两层之间存在强的电子与磁耦合，但决定它们的微观电子结构一直没有直接测量。已有的争议集中在三点，界面能带如何对齐、电荷转移有多大、界面的压应变如何改变 CrSBr 的本征带隙，以及磁近邻是否强到足以解除石墨烯的自旋简并。本文用角分辨光电子能谱、低能电子显微镜与密度泛函计算给出界面的微观图像，并把电荷转移、应变与磁近邻三种效应分开讨论。该成果以“Proximity-Induced Charge Transfer, Strain, and Possible Magnetic Exchange in Graphene/CrSBr Heterostructure”为题发表在 ACS Nano 期刊，第一作者是 Asish K. Kundu。

制备方法与样品信息

　　测量在超高真空中进行，CrSBr 单晶解理后得到新鲜的 a-b 面，低能电子衍射确认长程有序；石墨烯与 CrSBr 的异质结在真空中完成堆叠；界面在测量前不经聚合物接触。为区分掺杂效应与磁近邻效应，另用原位钾蒸镀对体材料 CrSBr 做电子掺杂作为对照。角分辨光电子能谱的测量温度为 18 K，总能量与角分辨率分别约为 20 meV 与 0.2 度；拉曼光谱用于估计石墨烯的单轴应变，密度泛函计算给出体材料与双层 CrSBr 在不同应变下的能带，异质结计算中底层 CrSBr 固定以模拟体材料的约束。

关键结果：电荷转移与压应变对能带的重整化机制

　　1. 界面电荷大量重分布并导致界面金属化。 与钾掺杂的体材料 CrSBr 相比，异质结中石墨烯被空穴掺杂，空穴面密度约 2×1013 cm-2，与 CrSBr 准一维自旋极化导带被填充的电子数相符；费米能移到 X 谷之上约 100 meV，Γ 谷在谱中消失；这说明电子由石墨烯转移到 CrSBr 的导带而不再停留在界面；作者把这一图象称为界面金属化。

　　2. 能带重整化超出常规掺杂，压应变是必要的补充。 钾掺杂的体材料中 X 谷仅比 Γ 谷低约 25 meV，异质结中要同时满足费米能高出 X 谷约 100 meV、Γ 谷不可见，需要 Γ 与 X 之间至少 75 至 100 meV 的相对移动；拉曼给出的石墨烯单轴应变约 0.6%，跨范德华界面传递后界面 CrSBr 的应变应不超过 0.6%；密度泛函计算显示压应变把 X 点导带推向更高结合能而对 Γ 点电子袋几乎无影响，与实验趋势一致。

　　3. 狄拉克锥的劈裂样特征给出磁近邻的可能证据。 石墨烯 π 带在 K 点附近出现两个可分辨的分量，能量间距对应约 30 meV 的交换劈裂估计值；计算中约 20 meV 的狄拉克点能隙来自应变引起的子格对称性破缺，与磁交换是两种不同来源，作者据此把劈裂归为自旋简并解除的可能证据，并指出应变与杂化也可能参与能带重构，定量分离仍需进一步测量。

　　图1 CrSBr 的晶体与电子结构。（a）正交晶胞，CrS 双层被 Br 层包裹并沿 c 轴堆叠；（b）解理面的低能电子衍射图，标注 a、b 方向；（c）沿高对称线的角分辨谱，价带与 CrSBr 的平坦能带清晰；（d）Γ 点附近费米能以下的电子袋；（e）对应的密度泛函能带。

　　图2 钾掺杂下的能带演化。（a）至（c）不同钾覆盖下的角分辨谱，费米能随电子填充上移；（d）X 与 Γ 谷的能量分布曲线对比；（e）等能面映射，虚线框标出 X、Y、S 区域；（f）K 3p 芯能级谱，插图为约 1.45 eV 的位移。

　　图3 异质结的能带重整化与应变计算。实验谱显示 X 谷被填充而 Γ 谷消失；不同应变下的双层 CrSBr 计算给出 X 点导带随压应变上移、Γ 点电子袋基本不变的趋势；拉曼峰位与位移用于估计界面应变。

　　图4 石墨烯狄拉克锥的劈裂。（a）K 点附近的角分辨谱，箭头指出两个分量；（b）能量分布曲线，红、蓝、绿三条拟合线给出双分量；（c）动量分布曲线的双峰与峰位标记；（d）K 点附近的等能面映射，箭头标出劈裂方向。

结语

　　本文在 18 K 下用角分辨光电子能谱、低能电子显微镜与密度泛函计算给出石墨烯与 CrSBr 界面的微观图像：石墨烯被约 2×1013 cm-2 的空穴掺杂，CrSBr 的自旋极化导带被填充并使费米能高出 X 谷约 100 meV，界面由此金属化；Γ 与 X 之间至少 75 至 100 meV 的相对移动无法仅由掺杂解释，拉曼给出的约 0.6% 单轴应变与压应变计算共同补齐了这一差额；狄拉克锥约 30 meV 的劈裂样特征与自旋简并解除一致，构成磁近邻的可能证据；应变引起的子格对称性破缺则是另一种来源。

　　来源：二维材料说