中国学者实现二维石墨烯的室温铁磁性，突破自旋电子器件瓶颈

石墨烯是一种二维(2D)层状材料，由sp2杂化碳的单原子厚六边形网络组成。它具有许多独特的性能，如大比表面积，优越的机械强度，高本征载流子迁移率和导热系数。

由于其特殊的载流子迁移率、较长的自旋扩散长度、较弱的固有自旋轨道耦合和有限的超精细相互作用，石墨烯也被认为是下一代自旋电子应用的极有前途的材料。

然而，在自旋电子器件的实际应用中，均要求石墨烯基材料在室温以上是铁磁性的。但原始石墨烯本质上恰恰是反磁的，缺乏局部磁矩。实现石墨烯基室温磁体，是一个巨大的挑战。

中国科学技术大学国家同步辐射实验室闫文盛教授研究组与孙治湖副研究员合作，他们通过研究实验证明：通过借助配位N原子嵌入孤立的Co原子，可以在石墨烯中获得TC高达400 K、饱和磁化强度为0.11 emu g1 (300 K)的强室温铁磁性。

广泛的结构表征表明，正方形平面的Co- n4在石墨烯晶格中形成，原子分散的Co原子提供了局部磁矩。详细的电子结构计算表明，Co原子的d电子与N/C原子的离域pz电子之间的杂化增强了传导-电子介导的长程磁耦合。

整体来看，研究组利用氮原子构造锚定位点，利用两步浸渍-热解的方法，将钴原子牢固的束缚在石墨烯晶格中，从而提供稳定的局域磁矩，并通过钴-氮-碳之间的轨道杂化形成铁磁交换作用，最终成功实现了石墨烯的室温铁磁性。

这项研究成果，为在石墨烯中诱导室温铁磁性提供了一种有效手段，并为开发基于石墨烯的自旋电子器件提供了可能。

论文链接：https://t.cn/A6cZCfNl

消息来源：前瞻网

【我国学者实现二维石墨烯的室温铁磁性】中国科技大学官网：中国科学技术大学国家同步辐射实验室闫文盛教授研究组与孙治湖副研究员合作，通过磁性金属原子精确可控掺杂的策略，实现了二维石墨烯的室温铁磁性。研究成果日前发表在《自然-通讯》上。

石墨烯由于高载流子迁移率、长自旋扩散长度和弱自旋轨道耦合等优良性质，被认为是下一代自旋电子学应用中极具前景的材料。如何在本征抗磁的石墨烯中诱导出稳定的室温铁磁性，是石墨烯基自旋电子学器件制备面临的首要问题之一。

科研人员基于以往二维过渡金属硫属化合物的磁性调控研究经验和DFT材料模拟设计，认为精确可控的磁性过渡金属（铁、钴、镍等）掺杂是解决这一问题的有效方案。为了克服将过渡金属原子嵌入石墨烯晶格的巨大势垒，研究组 利用氮原子构造锚定位点，将钴原子牢固的束缚在石墨烯晶格中，从而提供稳定的局域磁矩，并通过钴-氮-碳之间的轨道杂化形成铁磁交换作用，最终实现石墨烯的室温铁磁性。

研究组利用两步浸渍-热解的方法，在但原子辅助下，将钴原子单分散掺杂在石墨烯晶格中，样品在室温下饱和磁化强度为0.11emu g-1，居里温度达到400 K。通过同步辐射软、硬X射线谱学技术和多种X射线谱学解析方法，研究人员证实了样品中的钴是以平面四边形结构单元原子级分散于石墨烯晶格中，排除了磁性起源于钴相关第二相的可能。进一步计算表明，该石墨烯体系具有金属性的能带构造，存在Fermi面处态密度显著增强、以及π电子自旋极化，表明该石墨烯体系中的室温铁磁性起源于传导电子中介的铁磁交换机制，平面四边形结构单元是室温铁磁性的主要来源。

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