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我國科學家首次證實鋸齒型石墨烯納米帶室溫鐵磁性
2025年08月20日 14:09:17
來源：化工儀器網(wǎng) 點擊量：287
近日，中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所王浩敏團隊與上海師范大學副教授王慧山等，在zGNRs磁性研究方面取得進展。
石墨烯作為獨特的二維材料，其p軌道電子磁性與傳統(tǒng)磁性材料中d/f軌道電子的局域磁性截然不同，這為探索純碳基量子磁性開辟了新的研究方向。鋸齒型石墨烯納米帶(zGNRs)因在費米能級附近可能具有獨特的磁性電子態(tài)，被認為在自旋電子學器件領域具有巨大潛力。
然而，通過電輸運方法探測zGNRs的磁性面臨多重挑戰(zhàn)：自下而上組裝的納米帶通常長度過短，難以進行可靠的器件制備；zGNRs邊界的高化學反應活性可能導致不穩(wěn)定性或不均勻摻雜；在較窄的zGNRs中，邊緣態(tài)的強反鐵磁耦合會使得在電學上難以測量到其磁性信號。
近日，中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所王浩敏團隊與上海師范大學副教授王慧山等，在zGNRs磁性研究方面取得進展。
研究團隊基于前期積累，通過金屬粒子預刻蝕六方氮化硼(hBN)得到取向的原子溝槽，并利用氣相催化CVD方法實現(xiàn)溝槽內(nèi)石墨烯納米帶的手性可控制備，得到嵌入hBN晶格的~9 nm寬度的zGNRs樣品。結合掃描NV色心顯微鏡和磁輸運測量，團隊在實驗中直接證實了其本征磁性。
研究發(fā)現(xiàn)，嵌入hBN晶格的zGNRs具有更高的邊界穩(wěn)定性，并具備內(nèi)建電場，為探測zGNRs磁性創(chuàng)造了理想條件。借助掃描NV色心顯微鏡技術，研究在常溫下直接觀測到zGNRs的磁性信號。在電學輸運測量中，制備的約9納米寬的zGNR晶體管展現(xiàn)出高導電性和彈道輸運特性。在磁場作用下，器件表現(xiàn)出顯著的各向異性磁阻，磁阻變化在4 K溫度下達約175 Ω，磁阻比約為1.3%，同時該信號在350 K時依然存在。磁滯現(xiàn)象僅在垂直于zGNRs平面的磁場下出現(xiàn)，證實了其磁各向異性。研究分析磁阻隨傾斜角變化發(fā)現(xiàn)，磁矩垂直于樣品表面。此外，磁阻變化隨源漏偏壓和溫度的升高而減小，揭示了磁響應與電荷輸運和熱振動之間的相互作用。
隨著未來進一步研究，王浩敏團隊開發(fā)的hBN嵌入式zGNRs系統(tǒng)有望成為高效自旋電子器件的理想平臺。這些器件可能大幅降低計算能耗，同時提升處理速度，為下一代計算技術奠定基礎。
相關研究成果Signatures of magnetism in zigzag graphene nanoribbons embedded in a hexagonal boron nitride lattice于近日發(fā)表在《自然-材料》(Nature Materials)上。
參考資料來源：上海微系統(tǒng)與信息技術研究所
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