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我国学者实现二维石墨烯的室温铁磁性

发布时间:2021年03月29日    来源:科技日报                          字体:                          

  记者从中国科学技术大学获悉,该校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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