2024年1月26日，李晓光团队以“Graphene-modulated interfacial exchange coupling across organic molecular/ferromagnet spin interfaces”为题的论文，发表于《Physical Review B》。深圳大学高等研究院王雨副研究员为文章第一作者，李晓光研究员为通讯作者，学院王政助理教授参与该工作。该成果得到国家自然科学基金的支持。

在纳米尺度上实现对分子自旋态的操纵对发展新一代高性能、低能耗的自旋电子学、量子信息处理和磁存储器件有着重要意义。近十几年来，过渡金属酞菁分子(TMPc)及其衍生物以结构、功能的多样性和稳定性得到了研究者大量的关注，是研究分子自旋电子学相关应用的理想载体。与此同时，过去的十几年来，随着二维材料石墨烯的发现，其自身独特的电学、光学和力学性质受到了人们广泛的关注，也为自旋电子学的发展提供了一个新的研究思路。在二维材料中实现基于自旋的电子学应用，将是一项结合两者优势，极具研究价值和现实意义的课题。相关问题的解决可为设计发展新一代微电子器件提供有借鉴价值的科学依据。

研究团队长期聚焦于包含有机分子和石墨烯在内的单分子自旋电子学体系的第一性原理设计。在此项工作中，我们以过渡金属酞菁分子(TMPc)吸附铁磁金属镍(Ni)表面为研究对象，进一步考虑在分子和衬底之间插入单层石墨烯对体系电子结构，尤其是对界面磁相互作用的影响。与过去石墨烯充当缓冲层隔绝分子与衬底作用的简单认知不同，我们发现石墨烯对磁性分子-铁磁金属界面的磁交换相互作用的调制作用。计算结果表明：当一系列磁性TMPc分子(CrPc、MnPc、FePc、CoPc和CuPc)直接吸附在Ni(111)衬底时，分子-衬底之间的磁相互作用都是铁磁的；而插入石墨烯后，此作用强度被削弱，而对于CoPc来说，原来的铁磁作用变为反铁磁的。我们发现这是由于石墨烯可以隔绝TMPc分子中心TM离子d轨道与衬底Ni原子d轨道之间的直接交换作用，同时削弱两者之间经过分子配体N原子连接的超交换相互作用。该研究为调控分子-金属界面相互作用提供了有效途径，为相关实验提供了重要的启示，对设计与二维材料相集成的单分子自旋电子学器件具有重要指导意义。

图1：TMPc/Ni(111)与TMPc/Gr/Ni(111) (TM=Co, Cu)体系中的磁交换相互作用机理示意图

论文原文链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevB.109.014428