石墨烯作為一種獨(dú)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(fèi)米能級(jí)附近可能具有獨(dú)特的磁性電子態(tài)，被認(rèn)為在自旋電子學(xué)器件領(lǐng)域具有巨大潛力。然而，通過電輸運(yùn)方法探測(cè)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(jìn)行可靠的器件制備。同時(shí)，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(qiáng)反鐵磁耦合會(huì)使得在電學(xué)上難以測(cè)量到其磁性信號(hào)。這些因素都阻礙了針對(duì)zGNRs磁性的直接探測(cè)。
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(tuán)隊(duì)與合作者在zGNRs磁性研究中取得重要進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)基于前期研究積累，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（2D Mater. 9, 025015 (2022)），并利用氣相催化CVD方法實(shí)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(jié)合掃描NV色心顯微鏡和磁輸運(yùn)測(cè)量，首次在實(shí)驗(yàn)中直接證實(shí)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(xué)器件的開發(fā)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。相關(guān)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(chǎng)，為探測(cè)zGNRs的磁性創(chuàng)造了理想的條件。借助先進(jìn)的掃描NV色心顯微鏡技術(shù)，首次在常溫下直接觀測(cè)到了zGNRs的磁性信號(hào)。在電學(xué)輸運(yùn)測(cè)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(yùn)特性。在磁場(chǎng)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(dá)約175 Ω，磁阻比約為1.3%，并且該信號(hào)在高達(dá)350 K時(shí)依然存在。磁滯現(xiàn)象僅在垂直于zGNRs平面的磁場(chǎng)下出現(xiàn)，證實(shí)了其磁各向異性。通過對(duì)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(yīng)與電荷輸運(yùn)和熱振動(dòng)之間的相互作用。
該研究首次通過結(jié)合掃描NV色心顯微鏡技術(shù)和輸運(yùn)測(cè)量，直接證實(shí)了嵌入hBN的zGNRs中本征磁性的存在，為通過電場(chǎng)控制磁性提供了可能。這項(xiàng)工作不僅加深了對(duì)石墨烯磁性性質(zhì)的理解，更為開發(fā)基于石墨烯的自旋電子學(xué)器件開辟了新的道路。
該研究工作第一單位為中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)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(xué)王慧山副教授。測(cè)量工作的開展得到了國儀量子技術(shù)（合肥）股份有限公司的技術(shù)支持。該研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、上海市融合創(chuàng)新項(xiàng)目以及集成電路材料全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主課題的資助。
圖1：掃描NV色心顯微鏡對(duì)嵌入六方氮化硼晶格的zGNR的磁性測(cè)量
圖2：嵌入hBN的9納米寬zGNR器件的磁輸運(yùn)特性
