近日，中國科學技術大學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。他們在共摻雜N原子的輔助下，將Co原子穩(wěn)定的錨定在石墨烯晶格中，從而在石墨烯中激活了室溫本征鐵磁性。研究成果以“Embedding atomic cobalt into graphene lattices to activate room-temperature ferromagnetism”為題發(fā)表在近期的《自然-通訊》上（Nat. Commun. 2021, doi.org/10.1038/s41467-021-22122-2）。
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，被認為是下一代自旋電子學應用中極具前景的材料。如何在本征抗磁的石墨烯中誘導出穩(wěn)定的室溫鐵磁性，是石墨烯基自旋電子學器件制備面臨的首要問題之一。目前，研究人員已經嘗試了多種途徑來實現(xiàn)石墨烯中的鐵磁有序（包括利用空位缺陷、sp3功能化、化學摻雜、表面吸附和構造邊緣態(tài)等），但獲得的磁矩往往相對較弱且不穩(wěn)定，鐵磁有序無法在室溫下維持。
圖1 精確可控的Co原子摻雜激活石墨烯室溫鐵磁性
研究組基于以往二維過渡金屬硫屬化合物的磁性調控研究經驗（Nat. Commun. 10, 1584；Angew Chem Int Ed, 60, 7251）和DFT材料模擬設計，認為精確可控的磁性過渡金屬（Fe、Co、Ni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，研究組采用Pauling電負性高于C元素（2.5）的N元素（3.5）進行共摻雜，利用N原子構造錨定位點，將Co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Co-N-C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（圖1）。
圖2 同步輻射X射線譜學和常規(guī)表征證實Co原子以CoN4分散于石墨烯晶格中
研究組利用兩步浸漬-熱解的方法，在N原子輔助下，將Co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射線譜學技術和多種X射線譜學解析方法（實空間多重散射理論計算、擴展邊定量擬合、多組態(tài)計算和小波變換），研究人員證實了樣品中的Co是以平面四邊形CoN4結構單元原子級分散于石墨烯晶格中，排除了磁性起源于Co相關第二相的可能。DFT電子結構計算進一步表明，CoN4-石墨烯體系具有金屬性的能帶構造，存在Fermi面處態(tài)密度顯著增強（根據(jù)Stoner判據(jù)，確保了室溫鐵磁性），Co-3d和C/N-2p軌道雜化，以及π電子自旋極化，表明CoN4-石墨烯體系中的室溫鐵磁性起源于傳導電子中介的類RKKY長程鐵磁交換機制，Co-N4結構單元是室溫鐵磁性的主要來源。
該項研究得到了國家自然科學基金、合肥大科學中心高端用戶培育基金和中國博士后科學基金等基金資助。
來源：中國科大
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https://www.nature.com/articles/s41467-021-22122-2
