《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，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~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，发表在著名学术期刊《Nature Materials》上。

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

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性质的理解，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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