研究獲得鋸齒型石墨烯納米帶中室溫鐵磁性的直接實驗證據

　　石墨烯作為獨特的二維材料，其p軌道電子磁性與傳統磁性材料中d/f軌道電子的局域磁性不同，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，被認為在自旋電子學器件領域具有潛力。然而，通過電輸運方法探測zGNRs的磁性面臨多重挑戰。例如，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。同時，zGNRs邊界的高化學反應活性也可能導致不穩定性或不均勻摻雜。此外，在較窄的zGNRs中，邊緣態的強反鐵磁耦合會使得在電學上難以測量其磁性信號。這些因素阻礙了針對zGNRs磁性的直接探測。

　　近日，中國科學院上海微系統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。該團隊基于前期積累，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方法實現溝槽內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。

　　研究發現，嵌入hBN晶格的zGNRs具有更高的邊界穩定性，并具備內建電場，為探測zGNRs磁性創造了理想條件。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晶體管展現出高導電性和彈道輸運特性。在磁場作用下，器件表現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。磁滯現象僅在垂直于zGNRs平面的磁場下出現，證實了其磁各向異性。研究分析磁阻隨傾斜角變化發現，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。

　　該研究結合掃描NV色心顯微鏡技術和輸運測量，直接證實了嵌入hBN的zGNRs中本征磁性的存在，為通過電場控制磁性提供了可能。這一成果加深了科研人員對石墨烯磁性性質的認知，為開發基于石墨烯的自旋電子學器件開辟了新道路。

　　相關研究成果發表在《自然-材料》（Nature Materials）上。研究工作得到國家重點研發計劃和國家自然科學基金等的支持。