科學家直接證實鋸齒型石墨烯納米帶本征磁性

中國科學院上海微系統與信息技術研究所研究員王浩敏團隊聯合上海師范大學副教授王慧山，首次在實驗中直接證實了鋸齒型石墨烯納米帶（zGNRs）的本征磁性，加深了對石墨烯磁性性質的理解，也為開發基于石墨烯的自旋電子學器件開辟了新的道路。相關研究8月19日發表于《自然-材料》。

石墨烯是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，為探索純碳基量子磁性開辟了新的研究方向。由于在費米能級附近可能具有獨特的磁性電子態，zGNRs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。

研究團隊在前期研究基礎上，通過金屬粒子預刻蝕六方氮化硼（hBN）得到了目標取向的原子溝槽，并利用化學氣相沉積（CVD）方法實現溝槽內石墨烯納米帶的手性可控制備，進而制備得到約9納米寬的zGNR晶體管樣品。測試結果顯示，嵌入hBN晶格的zGNRs具備更高的邊界穩定性，并具備內建電場。

進一步地，研究團隊利用掃描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，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 開爾文溫度下達約175歐姆，磁阻比約為1.3%，且該信號在350開爾文時依然存在。此外，磁滯現象僅在垂直于zGNRs平面的磁場下出現，表明其具有磁各向異性。磁矩垂直于樣品表面，且磁阻變化隨源漏偏壓和溫度的升高而減小，說明磁響應與電荷輸運和熱振動之間存在相互作用。

掃描NV色心顯微鏡對嵌入六方氮化硼晶格的zGNR的磁性測量及器件磁輸運結果。圖片由研究團隊提供

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41563-025-02317-4