In this work, spin transport in corrugated armchair graphene nanoribbons (AGNRs) is studied. We survey combined effects of spin-orbit interaction and surface roughness, employing the non-equilibrium Green's function formalism and multi-orbitals tight-binding model. Rough substrate surfaces have been statistically generated and the hopping parameters are modulated based on the bending and distance of corrugated carbon atoms. The effects of surface roughness parameters, such as roughness amplitude and correlation length, on spin transport in AGNRs are studied. The increase of surface roughness amplitude results in the coupling of σ and π bands in neighboring atoms, leading to larger spin flipping rate and therefore reduction of the spin-polarization, whereas a longer correlation length makes AGNR surface smoother and increases spin-polarization. Moreover, spin diffusion length of carriers is extracted and its dependency on the roughness parameters is investigated. In agreement with experimental data, the spin diffusion length for various substrate ranges between 2 and 340 μm. Our results indicate the importance of surface roughness on spin-transport in graphene.

1.
S.
Wolf
,
D.
Awschalom
,
R.
Buhrman
,
J.
Daughton
,
S.
Von Molnar
,
M.
Roukes
,
A. Y.
Chtchelkanova
, and
D.
Treger
,
Science
294
,
1488
(
2001
).
2.
D.
Huertas-Hernando
,
F.
Guinea
, and
A.
Brataas
,
Phys. Rev. B
74
,
155426
(
2006
).
3.
K. S.
Novoselov
,
A. K.
Geim
,
S.
Morozov
,
D.
Jiang
,
Y.
Zhang
,
S.
Dubonos
,
I.
Grigorieva
, and
A.
Firsov
,
Science
306
,
666
(
2004
).
4.
W.
Han
,
R. K.
Kawakami
,
M.
Gmitra
, and
J.
Fabian
,
Nat. Nanotechnol.
9
,
794
(
2014
).
5.
N.
Tombros
,
C.
Jozsa
,
M.
Popinciuc
,
H. T.
Jonkman
, and
B. J.
Van Wees
,
Nature
448
,
571
(
2007
).
6.
W.
Han
and
R. K.
Kawakami
,
Phys. Rev. Lett.
107
,
047207
(
2011
).
7.
B.
Dlubak
,
M.-B.
Martin
,
C.
Deranlot
,
B.
Servet
,
S.
Xavier
,
R.
Mattana
,
M.
Sprinkle
,
C.
Berger
,
W. A.
De Heer
,
F.
Petroff
 et al,
Nat. Phys.
8
,
557
(
2012
).
8.
D.
Pesin
and
A. H.
MacDonald
,
Nat. Mater.
11
,
409
(
2012
).
9.
H.
Min
,
J. E.
Hill
,
N. A.
Sinitsyn
,
B. R.
Sahu
,
L.
Kleinman
, and
A. H.
MacDonald
,
Phys. Rev. B
74
,
165310
(
2006
).
10.
Y.
Yao
,
F.
Ye
,
X.-L.
Qi
,
S.-C.
Zhang
, and
Z.
Fang
,
Phys. Rev. B
75
,
041401
(
2007
).
11.
M.
Gmitra
,
S.
Konschuh
,
C.
Ertler
,
C.
Ambrosch-Draxl
, and
J.
Fabian
,
Phys. Rev. B
80
,
235431
(
2009
).
12.
J. C.
Boettger
and
S. B.
Trickey
,
Phys. Rev. B
75
,
121402
(
2007
).
13.
C. L.
Kane
and
E. J.
Mele
,
Phys. Rev. Lett.
95
,
226801
(
2005
).
14.
C.
Ertler
,
S.
Konschuh
,
M.
Gmitra
, and
J.
Fabian
,
Phys. Rev. B
80
,
041405
(
2009
).
15.
M.
Drögeler
,
F.
Volmer
,
M.
Wolter
,
B.
Terrés
,
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
,
G.
Guntherodt
,
C.
Stampfer
, and
B.
Beschoten
,
Nano Lett.
14
,
6050
(
2014
).
16.
M. H. D.
Guimarães
,
P. J.
Zomer
,
J.
Ingla-Aynés
,
J. C.
Brant
,
N.
Tombros
, and
B. J.
Van Wees
,
Phys. Rev. Lett.
113
,
086602
(
2014
).
17.
S.
Roche
and
S. O.
Valenzuela
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
47
,
094011
(
2014
).
18.
S.
Roche
,
B.
Beschoten
,
J.-C.
Charlier
,
M.
Chshiev
,
S. P.
Dash
,
B.
Dlubak
,
J.
Fabian
,
A.
Fert
,
F.
Guinea
,
I.
Grigorieva
 et al,
2D Mater.
2
,
030202
(
2015
).
19.
A.
Varykhalov
,
J.
Sánchez-Barriga
,
A. M.
Shikin
,
C.
Biswas
,
E.
Vescovo
,
A.
Rybkin
,
D.
Marchenko
, and
O.
Rader
,
Phys. Rev. Lett.
101
,
157601
(
2008
).
20.
M.
Gmitra
,
D.
Kochan
, and
J.
Fabian
,
Phys. Rev. Lett.
110
,
246602
(
2013
).
21.
D.
Kochan
,
M.
Gmitra
, and
J.
Fabian
,
Phys. Rev. Lett.
112
,
116602
(
2014
).
22.
D.
Huertas-Hernando
,
F.
Guinea
, and
A.
Brataas
,
Phys. Rev. Lett.
103
,
146801
(
2009
).
23.
A. H.
CastroNeto
and
F.
Guinea
,
Phys. Rev. Lett.
103
,
026804
(
2009
).
24.
K.
Pi
,
W.
Han
,
K.
McCreary
,
A.
Swartz
,
Y.
Li
, and
R.
Kawakami
,
Phys. Rev. Lett.
104
,
187201
(
2010
).
25.
M.
Ishigami
,
J. H.
Chen
,
W. G.
Cullen
,
M. S.
Fuhrer
, and
E. D.
Williams
,
Nano Lett.
7
,
1643
(
2007
).
26.
C. H.
Lui
,
L.
Liu
,
K. F.
Mak
,
G. W.
Flynn
, and
T. F.
Heinz
,
Nature
462
,
339
(
2009
).
27.
V.
Geringer
,
M.
Liebmann
,
T.
Echtermeyer
,
S.
Runte
,
M.
Schmidt
,
R.
Rückamp
,
M. C.
Lemme
, and
M.
Morgenstern
,
Phys. Rev. Lett.
102
,
076102
(
2009
).
28.
D.
Gosálbez-Martínez
,
J. J.
Palacios
, and
J.
Fernández-Rossier
,
Phys. Rev. B
83
,
115436
(
2011
).
29.
D.
Huertas-Hernando
,
F.
Guinea
, and
A.
Brataas
,
Eur. Phys. J.: Spec. Top.
148
,
177
(
2007
).
30.
V. K.
Dugaev
,
E. Y.
Sherman
, and
J.
Barnaś
,
Phys. Rev. B
83
,
085306
(
2011
).
31.
M.
Pourfath
,
The Non-Equilibrium Green's Function Method for Nanoscale Device Simulation
(
Springer
,
2014
).
32.
J.
Serrano
,
M.
Cardona
, and
T.
Ruf
,
Solid-State Commun.
113
,
411
(
2000
).
33.
F.
Herman
and
S.
Skillman
,
Atomic Structure Calculations
(
Prentice-Hall
,
1963
).
34.
S. B.
Touski
and
M.
Pourfath
,
Appl. Phys. Lett.
103
,
143506
(
2013
).
35.
A.
Yazdanpanah
,
M.
Pourfath
,
M.
Fathipour
,
H.
Kosina
, and
S.
Selberherr
,
IEEE Trans. Electron Devices
59
,
433
(
2012
).
36.
W. A.
Harrison
,
Elementary Electronic Structure
(
World Scientific
,
1999
).
37.
D.
Papaconstantopoulos
and
M.
Mehl
,
J. Phys.: Condens. Matter
15
,
R413
(
2003
).
38.
M. L.
Sancho
,
J. L.
Sancho
, and
J.
Rubio
,
J. Phys. F: Met. Phys.
14
,
1205
(
1984
).
39.
B.
Wang
,
J.
Wang
, and
H.
Guo
,
J. Phys. Soc. Jpn.
70
,
2645
(
2001
).
40.
V. I.
Perel'
,
S. A.
Tarasenko
,
I. N.
Yassievich
,
S. D.
Ganichev
,
V. V.
Bel'kov
, and
W.
Prettl
,
Phys. Rev. B
67
,
201304
(
2003
).
41.
L.
Chico
,
M. P.
López-Sancho
, and
M. C.
Muñoz
,
Phys. Rev. B
79
,
235423
(
2009
).
42.
M. P.
López-Sancho
and
M. C.
Munoz
,
Phys. Rev. B
83
,
075406
(
2011
).
43.
W.
Han
,
K.
Pi
,
W.
Bao
,
K.
McCreary
,
Y.
Li
,
W.
Wang
,
C.
Lau
, and
R.
Kawakami
,
Appl. Phys. Lett.
94
,
222109
(
2009
).
44.
M.
Popinciuc
,
C.
Józsa
,
P. J.
Zomer
,
N.
Tombros
,
A.
Veligura
,
H. T.
Jonkman
, and
B. J.
Van Wees
,
Phys. Rev. B
80
,
214427
(
2009
).
45.
Y.
Liu
,
H.
Idzuchi
,
Y.
Fukuma
,
O.
Rousseau
,
Y.
Otani
, and
W.
Lew
,
Appl. Phys. Lett.
102
,
033105
(
2013
).
46.
A.
Avsar
,
T.-Y.
Yang
,
S.
Bae
,
J.
Balakrishnan
,
F.
Volmer
,
M.
Jaiswal
,
Z.
Yi
,
S. R.
Ali
,
G.
Guntherodt
,
B. H.
Hong
 et al,
Nano Lett.
11
,
2363
(
2011
).
47.
M. H. D.
Guimãraes
,
A.
Veligura
,
P. J.
Zomer
,
T.
Maassen
,
I. J.
Vera-Marun
,
N.
Tombros
, and
B.
van Wees
,
Nano Lett.
12
,
3512
(
2012
).
48.
W.
Fu
,
P.
Makk
,
R.
Maurand
,
M.
Bräuninger
, and
C.
Schönenberger
,
J. Appl. Phys.
116
,
074306
(
2014
).
49.
W.
Han
,
K.
McCreary
,
K.
Pi
,
W.
Wang
,
Y.
Li
,
H.
Wen
,
J.
Chen
, and
R.
Kawakami
,
J. Magn. Magn. Mater.
324
,
369
(
2012
).
50.
W.
Han
,
J.-R.
Chen
,
D.
Wang
,
K. M.
McCreary
,
H.
Wen
,
A. G.
Swartz
,
J.
Shi
, and
R. K.
Kawakami
,
Nano Lett.
12
,
3443
(
2012
).
51.
C. R.
Dean
,
A. F.
Young
,
I.
Meric
,
C.
Lee
,
L.
Wang
,
S.
Sorgenfrei
,
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
,
P.
Kim
,
K.
Shepard
 et al,
Nat. Nanotechnol.
5
,
722
(
2010
).
52.
S.-Y.
Kwon
,
C. V.
Ciobanu
,
V.
Petrova
,
V. B.
Shenoy
,
J.
Bareno
,
V.
Gambin
,
I.
Petrov
, and
S.
Kodambaka
,
Nano Lett.
9
,
3985
(
2009
).
53.
X.
Wang
,
S. M.
Tabakman
, and
H.
Dai
,
J. Am. Chem. Soc.
130
,
8152
(
2008
).
54.
J.
Xue
,
J.
Sanchez-Yamagishi
,
D.
Bulmash
,
P.
Jacquod
,
A.
Deshpande
,
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
,
P.
Jarillo-Herrero
, and
B. J.
LeRoy
,
Nat. Mater.
10
,
282
(
2011
).
55.
A.
Zugarramurdi
,
M.
Debiossac
,
P.
Lunca-Popa
,
A.
Mayne
,
A.
Momeni
,
A.
Borisov
,
Z.
Mu
,
P.
Roncin
, and
H.
Khemliche
,
Appl. Phys. Lett.
106
,
101902
(
2015
).
56.
S.
Berner
,
M.
Corso
,
R.
Widmer
,
O.
Groening
,
R.
Laskowski
,
P.
Blaha
,
K.
Schwarz
,
A.
Goriachko
,
H.
Over
,
S.
Gsell
 et al,
Angew. Chem., Int. Ed.
46
,
5115
(
2007
).
57.
P.
Lauffer
,
K. V.
Emtsev
,
R.
Graupner
,
T.
Seyller
,
L.
Ley
,
S. A.
Reshanov
, and
H. B.
Weber
,
Phys. Rev. B
77
,
155426
(
2008
).
58.
V. W.
Brar
,
Y.
Zhang
,
Y.
Yayon
,
T.
Ohta
,
J. L.
McChesney
,
A.
Bostwick
,
E.
Rotenberg
,
K.
Horn
, and
M. F.
Crommie
,
Appl. Phys. Lett.
91
,
122102
(
2007
).
You do not currently have access to this content.