https://doi.org/10.1038/s41563-025-02317-4

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(kāi)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(guò)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(zhǎng)度過(guò)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)。

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。研究中，團(tuán)隊(duì)使用了國(guó)儀量子的室溫SNVM，首次在常溫下直接觀測(cè)到了zGNRs的磁性信號(hào)。

圖1：掃描NV探針顯微鏡對(duì)嵌入六方氮化硼晶格的zGNR的磁性測(cè)量

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(guò)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。

圖2：嵌入hBN的9納米寬zGNR器件的磁輸運(yùn)特性

該研究首次通過(guò)結(jié)合掃描NV探針顯微鏡技術(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(guò)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(kāi)發(fā)基于石墨烯的自旋電子學(xué)器件開(kāi)辟了新的道路。

NV

誠(chéng)邀體驗(yàn) 納米級(jí)磁成像系統(tǒng)

國(guó)儀量子誠(chéng)邀您體驗(yàn)掃描NV探針顯微鏡（SNVM）——全球領(lǐng)先的納米級(jí)磁場(chǎng)成像系統(tǒng)，溫度1.8~300 K，矢量磁場(chǎng)9/1/1 T，磁空間分辨率達(dá)10 nm，磁靈敏度2 μT/Hz^1/2。

SNVM是一款結(jié)合了金剛石氮 - 空位色心（NV）光探測(cè)磁共振（ODMR）技術(shù)和原子力顯微鏡（AFM）掃描成像技術(shù)的量子精密測(cè)量?jī)x器。具有高空間分辨率、高靈敏度磁成像、多功能檢測(cè)能力和非侵入式檢測(cè)等優(yōu)勢(shì)，在磁疇表征、反鐵磁成像、超導(dǎo)表征、二維磁性材料研究等領(lǐng)域中具有重要應(yīng)用。

室溫版SNVM

低溫版SNVM

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