我國學(xué)者實(shí)現(xiàn)二維石墨烯的室溫鐵磁性

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室科研團(tuán)隊(duì)通過磁性金屬原子精確可控?fù)诫s的策略，實(shí)現(xiàn)了二維石墨烯的室溫鐵磁性。研究成果日前發(fā)表在《自然-通訊》上。

石墨烯由于高載流子遷移率、長自旋擴(kuò)散長度和弱自旋軌道耦合等優(yōu)良性質(zhì)，被認(rèn)為是下一代自旋電子學(xué)應(yīng)用中極具前景的材料。如何在本征抗磁的石墨烯中誘導(dǎo)出穩(wěn)定的室溫鐵磁性，是石墨烯基自旋電子學(xué)器件制備面臨的首要問題之一。

科研人員基于以往二維過渡金屬硫?qū)倩衔锏拇判哉{(diào)控研究經(jīng)驗(yàn)和DFT材料模擬設(shè)計(jì)，認(rèn)為精確可控的磁性過渡金屬（鐵、鈷、鎳等）摻雜是解決這一問題的有效方案。為了克服將過渡金屬原子嵌入石墨烯晶格的巨大勢(shì)壘，研究組利用氮原子構(gòu)造錨定位點(diǎn)，將鈷原子牢固的束縛在石墨烯晶格中，從而提供穩(wěn)定的局域磁矩，并通過鈷-氮-碳之間的軌道雜化形成鐵磁交換作用，最終實(shí)現(xiàn)石墨烯的室溫鐵磁性。

研究組利用兩步浸漬-熱解的方法，在氮原子輔助下，將鈷原子單分散摻雜在石墨烯晶格中，樣品在室溫下飽和磁化強(qiáng)度為0.11emu/g，居里溫度達(dá)到400K。通過同步輻射軟、硬X射線譜學(xué)技術(shù)和多種X射線譜學(xué)解析方法，研究人員證實(shí)了樣品中的鈷是以平面四邊形結(jié)構(gòu)單元原子級(jí)分散于石墨烯晶格中，排除了磁性起源于鈷相關(guān)第二相的可能。進(jìn)一步計(jì)算表明，該石墨烯體系具有金屬性的能帶構(gòu)造，存在Fermi面處態(tài)密度顯著增強(qiáng)，以及π電子自旋極化，表明該石墨烯體系中的室溫鐵磁性起源于傳導(dǎo)電子中介的鐵磁交換機(jī)制，平面四邊形結(jié)構(gòu)單元是室溫鐵磁性的主要來源。