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我國科學(xué)家首次證實(shí)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(diǎn)擊量：206
近日，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所王浩敏團(tuán)隊(duì)與上海師范大學(xué)副教授王慧山等，在zGNRs磁性研究方面取得進(jìn)展。
石墨烯作為獨(dú)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(fèi)米能級附近可能具有獨(dú)特的磁性電子態(tài)，被認(rèn)為在自旋電子學(xué)器件領(lǐng)域具有巨大潛力。
然而，通過電輸運(yùn)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(jìn)行可靠的器件制備；zGNRs邊界的高化學(xué)反應(yīng)活性可能導(dǎo)致不穩(wěn)定性或不均勻摻雜；在較窄的zGNRs中，邊緣態(tài)的強(qiáng)反鐵磁耦合會使得在電學(xué)上難以測量到其磁性信號。
近日，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所王浩敏團(tuán)隊(duì)與上海師范大學(xué)副教授王慧山等，在zGNRs磁性研究方面取得進(jìn)展。
研究團(tuán)隊(duì)基于前期積累，通過金屬粒子預(yù)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(shí)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(jié)合掃描NV色心顯微鏡和磁輸運(yùn)測量，團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)中直接證實(shí)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(shù)，研究在常溫下直接觀測到zGNRs的磁性信號。在電學(xué)輸運(yùn)測量中，制備的約9納米寬的zGNR晶體管展現(xiàn)出高導(dǎo)電性和彈道輸運(yùn)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(dá)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(shí)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(yīng)與電荷輸運(yùn)和熱振動之間的相互作用。
隨著未來進(jìn)一步研究，王浩敏團(tuán)隊(duì)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(shù)奠定基礎(chǔ)。
相關(guān)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(shù)研究所
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