物理学院 School of Physics, Nanjing University

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汤怒江教授、都有为院士团队在二维材料磁性研究方面取得系列新进展

2019年06月28日

我校物理学院、固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心、江苏省纳米技术重点实验室的汤怒江教授/都有为院士课题组在石墨烯和黑磷烯的磁性研究中取得系列新进展。

石墨烯具有微米级自旋扩散长度,这有利于人工调控其自旋而使得该材料在自旋电子学器件中具有潜在应用前景。但其完美的去局域网络特征限制了该本征非磁性材料在自旋电子学器件上的应用。因此,如何在本征非磁的石墨烯中引入环境稳定的室温铁磁性,是迫切需要解决的一个关键科学问题。大量研究表明:宽度大于8 nm的石墨烯纳米带中的zigzag边界态会引入铁磁态;但由于质朴的边界在空气中极不稳定,实验上难以实现环境稳定的室温铁磁性。


该课题组前期研究积累表明:羟基既可在石墨烯的基面上Appl. Phys. Lett. 104, 123104 (2014)、也可在边沿Appl. Phys. Lett. 108, 033105 (2016)引入局域磁矩。在此基础上,他们分析了大尺寸石墨烯的不足(羟基在基面上易团簇化使得磁引入效率低)和小尺寸量子点的不足(边沿过短无法实现长程的磁性边沿),通过设计把羟基吸附在10微米长、10 nm宽的石墨烯纳米带的边沿,从而实现在微米级长的边沿引入环境稳定的、具有铁磁长程有序的室温铁磁性。磁性表征发现:1样品具有比饱和磁矩高达0.39 emu/g的室温铁磁性(此结果是所有纯碳材料体系中迄今报道的最强室温铁磁性);且2样品环境下放置半年后其室温铁磁性能够保持稳定。该工作不仅获得了环境稳定的、强的室温铁磁性,还对理论预言的羟基保护的稳定的磁性边界态是铁磁性的磁源进行了实验验证。相关研究成果以Realization of ambient-stable room-temperature ferromagnetism by low-temperature annealing of graphene oxide nanoribbons为题发表在ACS Nano 13, 63416347 (2019)。物理学院2017级博士生付林为论文第一作者,汤怒江教授为论文通讯作者。

此外,黑磷烯具有和石墨烯相媲美的自旋扩散长度,但又与石墨烯无带隙不同,具有本征的、层数依赖的直接带隙,这使得其在自旋半导体器件应用方面具有更大的潜力。然而,黑磷烯环境下的退化必然发生,只是退化程度随环境条件因素的不同而多或少,这使得其各种物理性能受环境因素而变化。因此,厘清环境下的退化对其磁性的影响不仅对其磁性研究方面,且对其本征自旋半导体性质的评估,均具有重要意义。

合作团队通过理论与实验相结合,揭示了黑磷烯中环境退化诱导出磁的自然现象。他们通过控制一系列环境因素(气氛、温度、湿度、光照强度等)和退化时间等,得到一系列不同退化度的样品。磁性表征发现:1)质朴的黑磷为本征非磁,环境下样品会诱导出磁,磁矩主要贡献于自旋磁矩;2)随着退化程度的不同,诱导的自旋团簇大小或大或小、数量或多或少,但完全是不可避免的。还发现,环境中的氧气是退化诱导磁的关键因素。他们通过理论模拟与原位电镜表征相结合,提出了黑磷烯在环境下磁结构演变所经历的三阶段模型。相关结果以Ambient degradation-induced spin paramagnetism in phosphorene为题发表在Small 15, 1804386 (2019)。我校物理学院2016级博士生陈杰和东南大学物理学院的周跫桦老师为论文的共同第一作者,汤怒江教授、现代分析中心邓煜副教授与东南大学物理学院王金兰教授为论文共同通讯作者。


以上研究得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金委、南京大学“双一流建设”课题等的资助。

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