【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】石墨烯作為一種獨特的二維材料，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)因其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)。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(wěn)定性或不均勻摻雜。此外，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。這些因素都阻礙了針對zGNRs磁性的直接探測。
 

　　近日，中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所王浩敏團隊與合作者在zGNRs磁性研究中取得重要進展。團隊基于前期研究積累，通過金屬粒子預刻蝕六方氮化硼(hBN)得到取向的原子溝槽(2D Mater. 9, 025015 (2022))，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(Nat. Commun. 6, 6499 (2015)、Nanoscale 9, 11475(2017)、Nat. Commun. 8, 14703 (2017)、Nat. Mater. 20, 202 (2021))，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，首次在實驗中直接證實了其本征磁性。這一突破性發(fā)現(xiàn)為石墨烯基自旋電子學器件的開發(fā)奠定了堅實基礎。相關研究成果以“Signatures of magnetism in zigzag graphene nanoribbons embedded in a hexagonal boron nitride lattice”為題，發(fā)表在著名期刊《自然 材料》(Nature Materials)上(DOI：10.1038/s41563-025-02317-4)。
 

　　嵌入hBN晶格的zGNRs具備更高的邊界穩(wěn)定性，并具備內(nèi)建電場，為探測zGNRs的磁性創(chuàng)造了理想的條件。借助先進的掃描NV色心顯微鏡技術，首次在常溫下直接觀測到了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溫度下高達約175 Ω，磁阻比約為1.3%，并且該信號在高達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。通過對磁阻隨傾斜角變化的分析，研究人員發(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。
 

　　該研究首次通過結合掃描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。這項工作不僅加深了對石墨烯磁性性質的理解，更為開發(fā)基于石墨烯的自旋電子學器件開辟了新的道路。
 

　　該研究工作第一單位為中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所，第一作者為姜程鑫、王慧山與劉晨曦，通訊作者為上海微系統(tǒng)所的王浩敏研究員和上海師范大學王慧山副教授。測量工作的開展得到了國儀量子技術(合肥)股份有限公司的技術支持。該研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、上海市融合創(chuàng)新項目以及集成電路材料全國重點實驗室自主課題的資助。
 

圖1：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
 

圖2：嵌入hBN的9納米寬zGNR器件的磁輸運特性