我国科学家首次证实锯齿型石墨烯纳米带室温铁磁性

抖音快讯 2025年08月21日 04:46 1 admin

石墨烯作为独特的二维材料，其p轨道电子磁性与传统磁性材料中d/f轨道电子的局域磁性截然不同，这为探索纯碳基量子磁性开辟了新的研究方向。锯齿型石墨烯纳米带(zGNRs)因在费米能级附近可能具有独特的磁性电子态，被认为在自旋电子学器件领域具有巨大潜力。

然而，通过电输运方法探测zGNRs的磁性面临多重挑战：自下而上组装的纳米带通常长度过短，难以进行可靠的器件制备；zGNRs边界的高化学反应活性可能导致不稳定性或不均匀掺杂；在较窄的zGNRs中，边缘态的强反铁磁耦合会使得在电学上难以测量到其磁性信号。

近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所王浩敏团队与上海师范大学副教授王慧山等，在zGNRs磁性研究方面取得进展。

研究团队基于前期积累，通过金属粒子预刻蚀六方氮化硼(hBN)得到取向的原子沟槽，并利用气相催化CVD方法实现沟槽内石墨烯纳米带的手性可控制备，得到嵌入hBN晶格的~9 nm宽度的zGNRs样品。结合扫描NV色心显微镜和磁输运测量，团队在实验中直接证实了其本征磁性。

研究发现，嵌入hBN晶格的zGNRs具有更高的边界稳定性，并具备内建电场，为探测zGNRs磁性创造了理想条件。借助扫描NV色心显微镜技术，研究在常温下直接观测到zGNRs的磁性信号。在电学输运测量中，制备的约9纳米宽的zGNR晶体管展现出高导电性和弹道输运特性。在磁场作用下，器件表现出显著的各向异性磁阻，磁阻变化在4 K温度下达约175 Ω，磁阻比约为1.3%，同时该信号在350 K时依然存在。磁滞现象仅在垂直于zGNRs平面的磁场下出现，证实了其磁各向异性。研究分析磁阻随倾斜角变化发现，磁矩垂直于样品表面。此外，磁阻变化随源漏偏压和温度的升高而减小，揭示了磁响应与电荷输运和热振动之间的相互作用。

随着未来进一步研究，王浩敏团队开发的hBN嵌入式zGNRs系统有望成为高效自旋电子器件的理想平台。这些器件可能大幅降低计算能耗，同时提升处理速度，为下一代计算技术奠定基础。

相关研究成果Signatures of magnetism in zigzag graphene nanoribbons embedded in a hexagonal boron nitride lattice于近日发表在《自然-材料》(Nature Materials)上。

参考资料来源：上海微系统与信息技术研究所