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高效稳定!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

Evelyn Zhang

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。到目前为止,实现石墨烯基室温磁体,仍然是一个巨大的挑战。

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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 g−1 (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。日前,相关论文以“Embedding atomic cobalt into graphene lattices to activate room-temperature ferromagnetism”为题,发表在《自然·通讯》(Nature Communications)上。

译/前瞻经济学人APP资讯组

论文链接:http://www.nature.com/articles/s41467-021-22122-2

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