石墨烯作為獨特的二維材料，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(tài)，被認為在自旋電子學(xué)器件領(lǐng)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(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(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展。該團隊基于前期積累，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測量，團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器件的磁輸運特性