【儀表網 研發快訊】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，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。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方法實現溝槽內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。這一突破性發現為石墨烯基自旋電子學器件的開發奠定了堅實基礎。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具備更高的邊界穩定性，并具備內建電場，為探測zGNRs的磁性創造了理想的條件。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。磁滯現象僅在垂直于zGNRs平面的磁場下出現，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計劃、國家自然科學基金、上海市融合創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
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