石墨烯因其獨(dú)特的線性能量色散關(guān)系、高遷移率和潛在的在納米電子學(xué)器件和電路的應(yīng)用而備受學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注。石墨烯的本征磁性研究是研制電子屬性和自旋屬性有機(jī)結(jié)合的自旋電子學(xué)器件的基礎(chǔ)。而石墨烯是僅有S和P電子的材料，其磁性來(lái)源于部分填充的電子態(tài)，如缺陷或邊界態(tài)，且磁性非常弱。任何ppm量級(jí)的磁性雜質(zhì)污染都有可能掩蓋石墨烯的本征磁性而使其表現(xiàn)出雜質(zhì)磁性的假象。所以國(guó)內(nèi)外涉及石墨烯磁性的實(shí)驗(yàn)報(bào)道爭(zhēng)議較大。室溫鐵磁性、順磁性甚至室溫超導(dǎo)等令人興奮的結(jié)果均有報(bào)道。產(chǎn)生這些有爭(zhēng)議結(jié)論的根本原因是缺少高純、宏量的石墨烯。因此，研究和揭示石墨烯宏觀磁性的前提是擁有宏量、化學(xué)純凈的石墨烯材料。

中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（籌）先進(jìn)材料與結(jié)構(gòu)分析實(shí)驗(yàn)室陳小龍研究組（A02組，功能晶體研究與應(yīng)用中心）博士生陳蓮蓮、郭麗偉研究員等發(fā)展了完全碳化SiC晶片制備高純石墨烯的方法。通過(guò)完全碳化非極性SiC（10-10）晶片制備出有序排列、具有不規(guī)則zigzag邊的毫克量級(jí)的石墨烯材料(RSC Advances, 2013, 3, 13926)。基于這種高純的石墨烯材料系統(tǒng)研究了石墨烯的磁矩與溫度（圖1）、磁矩與外場(chǎng)的關(guān)系（圖2），首次繪出了石墨烯的磁相圖（圖3）。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在這種具有不規(guī)則zigzag邊的石墨烯材料中鐵磁、反鐵磁和抗磁共存。石墨烯zigzag邊的磁性迭加在石墨烯自由電子的朗道抗磁本底上。去除抗磁本底后，石墨烯zigzag邊的磁性被揭示出來(lái)。石墨烯邊界連續(xù)的zigzag邊組成基本磁有序單元，其鐵磁居里溫度是820±80 K，不同子晶格中磁有序單元的反鐵磁有序尼爾溫度是54±2 K。室溫下，如果石墨烯邊界上連續(xù)的zigzag邊的數(shù)目大于3個(gè)，人們會(huì)觀測(cè)到鐵磁性，否則會(huì)觀測(cè)到順磁性。他們繪制的石墨烯的磁相圖對(duì)于深入理解石墨烯的本征磁性和澄清現(xiàn)有報(bào)道中石墨烯磁性的混亂結(jié)果具有重要意義。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在近期出版的Scientific Reports雜志上( Scientific Reports 3, 02599(2013)/doi:10.1038/ )。

上述工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部和中國(guó)科學(xué)院的支持。

圖1 有序排列的石墨烯樣品在一定場(chǎng)強(qiáng)下磁化率隨溫度的變化。

圖2 在不同溫度下石墨烯的磁矩隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化曲線。每幅圖右下角的插圖為在低場(chǎng)下的放大圖。

圖3 有序排列石墨烯的磁相圖。