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)。例如,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。同時,zGNRs邊界的高化學(xué)反應(yīng)活性也可能導(dǎo)致不穩(wěn)定性或不均勻摻雜。此外,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(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所王浩敏團(tuán)隊與上海師范大學(xué)副教授王慧山等,在zGNRs磁性研究方面取得進(jìn)展。該團(tuán)隊基于前期積累,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(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。

該研究結(jié)合掃描NV色心顯微鏡技術(shù)和輸運(yùn)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(zhì)的認(rèn)知,為開發(fā)基于石墨烯的自旋電子學(xué)器件開辟了新道路。

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

掃描NV色心顯微鏡對嵌入六方氮化硼晶格的zGNR的磁性測量

嵌入hBN的9納米寬zGNR器件的磁輸運(yùn)特性