石墨烯是一種以蜂窩狀晶格排列的單層碳原子,在自旋電子學(xué)中具有重要應(yīng)用。石墨烯具有較長(zhǎng)的自旋壽命(指電子保持自旋狀態(tài)的時(shí)間)和較高的電子遷移率(使電子能夠快速移動(dòng))。這些因素對(duì)于自旋電子學(xué)至關(guān)重要,自旋電子學(xué)是一門(mén)探索利用電子自旋進(jìn)行信息處理的領(lǐng)域。
然而,原始石墨烯缺乏局部磁矩,具有抗磁性。局部磁矩是自旋電子學(xué)中的一個(gè)重要方面,指的是原子或離子的磁性強(qiáng)度和方向。石墨烯中缺乏局部磁矩,這嚴(yán)重阻礙了其在自旋電子學(xué)中的應(yīng)用。
實(shí)現(xiàn)石墨烯的鐵磁性具有多種挑戰(zhàn)性,其中包括石墨烯獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu),這使得其磁性難以操控。石墨烯中的電子高度局域化,這意味著它們可以在整個(gè)材料中自由移動(dòng)。與過(guò)渡金屬原子或離子不同,石墨烯沒(méi)有固有磁矩。
石墨烯不具有磁性,因此需要進(jìn)行特定的改性,包括鐵磁性。一些方法涉及通過(guò) N 摻雜引入氮原子的化學(xué)摻雜,以增強(qiáng)氧化石墨烯 (GO) 的磁化。然而,仍需要一些進(jìn)展才能在石墨烯基材料中實(shí)現(xiàn)室溫鐵磁性。
在本文中,我們將深入研究論文“多層氧化石墨烯中的室溫宏觀鐵磁性”,該論文解釋了平面外氧基團(tuán)和亞晶格不平衡結(jié)構(gòu)如何影響石墨烯的磁性。
使石墨烯具有鐵磁性的方法
研究人員開(kāi)發(fā)了一種生產(chǎn)鐵磁非晶態(tài) GO 的新方法。該方法涉及將含氧官能團(tuán)和碳缺陷引入石墨烯,從而改變其電子結(jié)構(gòu)。改變結(jié)構(gòu)后,材料在超臨界二氧化碳 (SC CO 2 ) 環(huán)境中進(jìn)行自組裝過(guò)程。SC CO 2具有使其能夠滲透石墨烯結(jié)構(gòu)的特性。通過(guò)這種方法合成的非晶態(tài) GO 在室溫下表現(xiàn)出高飽和磁性和剩磁。
該工藝首先形成石墨烯納米片,然后在過(guò)氧化氫 (H 2 O 2 )存在下用 SC CO 2處理。這種暴露有利于引入含氧官能團(tuán)和碳缺陷,從而導(dǎo)致石墨烯結(jié)構(gòu)非晶化。
“除了已證實(shí)的碳空位和含氧基團(tuán)具有局域磁矩和鐵磁性之外,實(shí)驗(yàn)和理論研究表明,非平面含氧基團(tuán)連接石墨烯層,導(dǎo)致亞晶格不平衡結(jié)構(gòu),凈磁矩顯著增強(qiáng),”中國(guó)鄭州大學(xué)教授,研究論文的作者徐群說(shuō)。
圖 1:與氧基團(tuán)結(jié)合的石墨烯雙層(來(lái)源:Zhang 等人,2024 年)
參考圖 1,可以了解層間粘附對(duì)磁性的影響。碳空位和含氧基團(tuán)隨機(jī)分布在沒(méi)有粘附的層中,導(dǎo)致自旋極化較小。然而,當(dāng)這些層通過(guò)氧橋互連時(shí),自旋極化會(huì)大幅增加。粘附往往更頻繁地發(fā)生在 A(A') 亞晶格的碳原子之間。這是因?yàn)橄噜彽?A-A' 位點(diǎn)之間的距離小于 B-B' 位點(diǎn)之間的距離。
理論研究表明,平面外含氧基團(tuán)連接相鄰的石墨烯層。這會(huì)導(dǎo)致亞晶格不平衡并增強(qiáng)凈磁矩。通過(guò) SC CO 2施加局部壓力對(duì)于克服能壘以橋接相鄰的石墨烯層至關(guān)重要,這會(huì)導(dǎo)致 C 原子的亞晶格不平衡并改善鐵磁狀態(tài)。
研究人員表示: “實(shí)驗(yàn)和理論研究都表明,SC CO2通過(guò)剝離石墨烯、產(chǎn)生缺陷、引入含氧功能團(tuán)和促進(jìn)石墨烯層粘附,在鐵磁性的產(chǎn)生中起著關(guān)鍵作用?!?
鐵磁石墨烯的前景
這項(xiàng)研究的一個(gè)關(guān)鍵方面是,該團(tuán)隊(duì)不依賴金屬來(lái)誘導(dǎo)石墨烯的磁性。在之前的一些研究中,研究人員在配位 N 原子的幫助下將孤立的鈷原子嵌入石墨烯晶格中。這種不使用金屬來(lái)誘導(dǎo)室溫鐵磁性的努力支持了可持續(xù)的未來(lái)。
實(shí)現(xiàn)石墨烯的鐵磁性至關(guān)重要,因?yàn)樗梢钥刂齐娮幼孕?,從而促進(jìn)信息存儲(chǔ)和處理。這會(huì)產(chǎn)生自旋極化電流,這是自旋電子器件(如自旋晶體管和磁存儲(chǔ)器)的必要條件。
研究人員表示,石墨烯由于其非凡的載流子遷移率、長(zhǎng)的自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度、弱的本征自旋軌道耦合和有限的超精細(xì)相互作用,是下一代自旋電子學(xué)的有希望的候選材料。
鐵磁石墨烯的開(kāi)發(fā)可能帶來(lái)比傳統(tǒng)設(shè)備更小、更節(jié)能的新型磁性設(shè)備。此類進(jìn)步有可能改變自旋電子學(xué)的物理學(xué)。