中國科學技術(shù)大學國家同步輻射實驗室科研團隊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。研究成果日前發(fā)表在《自然-通訊》上。

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(zhì)，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。

科研人員基于以往二維過渡金屬硫?qū)倩衔锏拇判哉{(diào)控研究經(jīng)驗和DFT材料模擬設計，認為精確可控的磁性過渡金屬（鐵、鈷、鎳等）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，研究組利用氮原子構(gòu)造錨定位點，將鈷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，并通過鈷-氮-碳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。

研究組利用兩步浸漬-熱解的方法，在氮原子輔助下，將鈷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，居里溫度達到400K。通過同步輻射軟、硬X射線譜學技術(shù)和多種X射線譜學解析方法，研究人員證實了樣品中的鈷是以平面四邊形結(jié)構(gòu)單元原子級分散于石墨烯晶格中，排除了磁性起源于鈷相關(guān)第二相的可能。進一步計算表明，該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，以及π電子自旋極化，表明該石墨烯體系中的室溫鐵磁性起源于傳導電子中介的鐵磁交換機制，平面四邊形結(jié)構(gòu)單元是室溫鐵磁性的主要來源。