科技日報合肥3月28日電（記者 吳長鋒）記者從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校國家同步輻射實驗室閆文盛教授研究組與孫治湖副研究員合作，通過磁性金屬原子精確可控摻雜的策略，實現(xiàn)了二維石墨烯的室溫鐵磁性。研究成果日前發(fā)表在《自然-通訊》上。
石墨烯由于高載流子遷移率、長自旋擴散長度和弱自旋軌道耦合等優(yōu)良性質(zhì)，被認為是下一代自旋電子學(xué)應(yīng)用中極具前景的材料。如何在本征抗磁的石墨烯中誘導(dǎo)出穩(wěn)定的室溫鐵磁性，是石墨烯基自旋電子學(xué)器件制備面臨的首要問題之一。
科研人員基于以往二維過渡金屬硫?qū)倩衔锏拇判哉{(diào)控研究經(jīng)驗和DFT材料模擬設(shè)計，認為精確可控的磁性過渡金屬（鐵、鈷、鎳等）摻雜是解決這一問題的有效方案。為了克服將過渡金屬原子嵌入石墨烯晶格的巨大勢壘，研究組 利用氮原子構(gòu)造錨定位點，將鈷原子牢固的束縛在石墨烯晶格中，從而提供穩(wěn)定的局域磁矩，并通過鈷-氮-碳之間的軌道雜化形成鐵磁交換作用，最終實現(xiàn)石墨烯的室溫鐵磁性。
研究組利用兩步浸漬-熱解的方法，在但原子輔助下，將鈷原子單分散摻雜在石墨烯晶格中，樣品在室溫下飽和磁化強度為0.11emu g-1，居里溫度達到400 K。通過同步輻射軟、硬X射線譜學(xué)技術(shù)和多種X射線譜學(xué)解析方法，研究人員證實了樣品中的鈷是以平面四邊形結(jié)構(gòu)單元原子級分散于石墨烯晶格中，排除了磁性起源于鈷相關(guān)第二相的可能。進一步計算表明，該石墨烯體系具有金屬性的能帶構(gòu)造，存在Fermi面處態(tài)密度顯著增強、以及π電子自旋極化，表明該石墨烯體系中的室溫鐵磁性起源于傳導(dǎo)電子中介的鐵磁交換機制，平面四邊形結(jié)構(gòu)單元是室溫鐵磁性的主要來源。
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