室温下石墨烯的铁磁性

石墨烯是一种以蜂窝状晶格排列的单层碳原子，在自旋电子学中具有重要应用。石墨烯具有较长的自旋寿命(指电子保持自旋状态的时间)和较高的电子迁移率(使电子能够快速移动)。这些因素对于自旋电子学至关重要，自旋电子学是一门探索利用电子自旋进行信息处理的领域。

然而，原始石墨烯缺乏局部磁矩，具有抗磁性。局部磁矩是自旋电子学中的一个重要方面，指的是原子或离子的磁性强度和方向。石墨烯中缺乏局部磁矩，这严重阻碍了其在自旋电子学中的应用。

实现石墨烯的铁磁性具有多种挑战性，其中包括石墨烯独特的电子结构，这使得其磁性难以操控。石墨烯中的电子高度局域化，这意味着它们可以在整个材料中自由移动。与过渡金属原子或离子不同，石墨烯没有固有磁矩。

石墨烯不具有磁性，因此需要进行特定的改性，包括铁磁性。一些方法涉及通过 N 掺杂引入氮原子的化学掺杂，以增强氧化石墨烯 (GO) 的磁化。然而，仍需要一些进展才能在石墨烯基材料中实现室温铁磁性。

在本文中，我们将深入研究论文“多层氧化石墨烯中的室温宏观铁磁性”，该论文解释了平面外氧基团和亚晶格不平衡结构如何影响石墨烯的磁性。

使石墨烯具有铁磁性的方法

研究人员开发了一种生产铁磁非晶态 GO 的新方法。该方法涉及将含氧官能团和碳缺陷引入石墨烯，从而改变其电子结构。改变结构后，材料在超临界二氧化碳 (SC CO 2 ) 环境中进行自组装过程。SC CO 2具有使其能够渗透石墨烯结构的特性。通过这种方法合成的非晶态 GO 在室温下表现出高饱和磁性和剩磁。

该工艺首先形成石墨烯纳米片，然后在过氧化氢 (H 2 O 2 )存在下用 SC CO 2处理。这种暴露有利于引入含氧官能团和碳缺陷，从而导致石墨烯结构非晶化。

“除了已证实的碳空位和含氧基团具有局域磁矩和铁磁性之外，实验和理论研究表明，非平面含氧基团连接石墨烯层，导致亚晶格不平衡结构，净磁矩显着增强，”中国郑州大学教授，研究论文的作者徐群说。

图 1：与氧基团结合的石墨烯双层(来源：Zhang 等人，2024 年)

参考图 1，可以了解层间粘附对磁性的影响。碳空位和含氧基团随机分布在没有粘附的层中，导致自旋极化较小。然而，当这些层通过氧桥互连时，自旋极化会大幅增加。粘附往往更频繁地发生在 A(A') 亚晶格的碳原子之间。这是因为相邻的 A-A' 位点之间的距离小于 B-B' 位点之间的距离。

理论研究表明，平面外含氧基团连接相邻的石墨烯层。这会导致亚晶格不平衡并增强净磁矩。通过 SC CO 2施加局部压力对于克服能垒以桥接相邻的石墨烯层至关重要，这会导致 C 原子的亚晶格不平衡并改善铁磁状态。

研究人员表示： “实验和理论研究都表明，SC CO2通过剥离石墨烯、产生缺陷、引入含氧功能团和促进石墨烯层粘附，在铁磁性的产生中起着关键作用。”

铁磁石墨烯的前景

这项研究的一个关键方面是，该团队不依赖金属来诱导石墨烯的磁性。在之前的一些研究中，研究人员在配位 N 原子的帮助下将孤立的钴原子嵌入石墨烯晶格中。这种不使用金属来诱导室温铁磁性的努力支持了可持续的未来。

实现石墨烯的铁磁性至关重要，因为它可以控制电子自旋，从而促进信息存储和处理。这会产生自旋极化电流，这是自旋电子器件(如自旋晶体管和磁存储器)的必要条件。

研究人员表示，石墨烯由于其非凡的载流子迁移率、长的自旋扩散长度、弱的本征自旋轨道耦合和有限的超精细相互作用，是下一代自旋电子学的有希望的候选材料。

铁磁石墨烯的开发可能带来比传统设备更小、更节能的新型磁性设备。此类进步有可能改变自旋电子学的物理学。