近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)國家同步輻射實(shí)驗(yàn)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?fù)诫s的策略，實(shí)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(kuò)散長度和弱自旋軌道耦合等優(yōu)良性質(zhì)，被認(rèn)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。目前，研究人員已經(jīng)嘗試了多種途徑來實(shí)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(xué)摻雜、表面吸附和構(gòu)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?qū)倩衔锏拇判哉{(diào)控研究經(jīng)驗(yàn)（Nat. Commun. 10, 1584；Angew Chem Int Ed, 60, 7251）和DFT材料模擬設(shè)計(jì)，認(rèn)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(fù)性高于C元素（2.5）的N元素（3.5）進(jìn)行共摻雜，利用N原子構(gòu)造錨定位點(diǎn)，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(shí)現(xiàn)石墨烯的室溫鐵磁性（圖1）。
圖2 同步輻射X射線譜學(xué)和常規(guī)表征證實(shí)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(qiáng)度為0.11emu g-1，居里溫度達(dá)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（實(shí)空間多重散射理論計(jì)算、擴(kuò)展邊定量擬合、多組態(tài)計(jì)算和小波變換），研究人員證實(shí)了樣品中的Co是以平面四邊形CoN4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Co相關(guān)第二相的可能。DFT電子結(jié)構(gòu)計(jì)算進(jìn)一步表明，CoN4-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(qiáng)（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(dǎo)電子中介的類RKKY長程鐵磁交換機(jī)制，Co-N4結(jié)構(gòu)單元是室溫鐵磁性的主要來源。
該項(xiàng)研究得到了國家自然科學(xué)基金、合肥大科學(xué)中心高端用戶培育基金和中國博士后科學(xué)基金等基金資助。
來源：中國科大
論文鏈接:
https://www.nature.com/articles/s41467-021-22122-2
