《Nature Materials》！石墨烯磁性如何被“看见”？国仪量子 SNVM 助客户实现石墨烯自旋器件关键突破

近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所王浩敏团队使用国仪量子扫描 NV 探针显微镜（SNVM）在 zGNRs 磁性研究中取得重要进展。团队基于前期研究积累，通过金属粒子预刻蚀六方氮化硼（hBN）得到取向的原子沟槽，并利用气相催化 CVD 方法实现沟槽内石墨烯纳米带的手性可控制备，得到嵌入 hBN 晶格的约 9 nm 宽度的 zGNRs 样品。团队结合 SNVM 和磁输运测量，在实验中直接证实了其本征磁性。这一发现为石墨烯基自旋电子学器件的开发奠定了坚实基础。相关研究成果以 “Signatures of magnetism in zigzag graphene nanoribbons ｅmbedded in a hexagonal boron nitride lattice” 为题，发表于学术期刊《Nature Materials》上。

研究背景与主要发现

石墨烯作为一种独特的二维材料，其 p 轨道电子磁性与传统磁性材料中 d/f 轨道电子的局域磁性截然不同，这为探索纯碳基量子磁性开辟了新的研究方向。锯齿型石墨烯纳米带（zGNRs）因其在费米能级附近可能具有独特的磁性电子态，被认为在自旋电子学器件领域具有巨大潜力。然而，通过电输运方法探测 zGNRs 的磁性面临多重挑战。例如，自下而上组装的纳米带通常长度过短，难以进行可靠的器件制备。同时，zGNRs 边界的高化学反应活性也可能导致不稳定性或不均匀掺杂。此外，在较窄的 zGNRs 中，边缘态的强反铁磁耦合会使得在电学上难以测量到其磁性信号。这些因素都阻碍了针对 zGNRs 磁性的直接探测。

嵌入 hBN 晶格的 zGNRs 具备更高的边界稳定性，并具备内建电场，为探测 zGNRs 的磁性创造了理想的条件。研究中，团队使用了国仪量子的室温 SNVM，在常温下直接观测到了 zGNRs 的磁性信号。

图 1：扫描 NV 探针显微镜对嵌入六方氮化硼晶格的 zGNR 的磁性测量

在电学输运测量中，制备的约 9 纳米宽的 zGNR 晶体管展现出高导电性和弹道输运特性。在磁场作用下，器件表现出显著的各向异性磁阻，磁阻变化在 4 K 温度下高达约 175 Ω，磁阻比约为 1.3%，并且该信号在高达 350 K 时依然存在。磁滞现象仅在垂直于 zGNRs 平面的磁场下出现，证实了其磁各向异性。通过对磁阻随倾斜角变化的分析，研究人员发现磁矩垂直于样品表面。此外，磁阻变化随源漏偏压和温度的升高而减小，揭示了磁响应与电荷输运和热振动之间的相互作用。

图 2：嵌入 hBN 的 9 纳米宽 zGNR 器件的磁输运特性

该研究通过结合扫描 NV 探针显微镜技术和输运测量，直接证实了嵌入 hBN 的 zGNRs 中本征磁性的存在，为通过电场控制磁性提供了可能。这项工作不仅加深了对石墨烯磁性的理解，更为开发基于石墨烯的自旋电子学器件开辟了新的道路。

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