单层石墨烯磁性研究取得新进展

铁磁性二维graphone sheet的结构模型

美国化学学会主办的纳米材料科学的权威杂志《纳米快报》（Nano Letters）最近刊发了北京大学工学院先进材料与纳米技术系、北京大学应用物理与技术研究中心孙强教授研究组的论文“Ferromagnetism in Semihydrogenated graphene sheet”，报导了他们在单层石墨烯磁性研究方面的最新成果。

单层石墨烯（graphene）是目前国际上最热点的研究领域之一，它是一种带隙为零的非磁性金属材料，具有许多新奇的物理特性和广泛的应用前景。为了使graphene具有磁性，科学家提出了各种办法包括将它剪切成具有zigzag构型的零维或一维nano-ribbon结构、或产生缺陷和引入杂质原子等。现有的这些方法不但破坏了graphene的结构完整性，所产生的磁性呈非均匀分布，而且实验上难以控制。孙强教授研究组首次提出了通过半氢化的方法在graphene中实现铁磁性的思想，并将半氢化的graphene命名为graphone，这是在继graphene，graphane 之后所引入的新的结构形态。孙强教授研究组应用自旋极化的密度泛函理论，研究发现当氢原子吸附在石墨烯的部分碳原子上时，石墨烯的π键被破坏，导致每个没有被氢化的碳原子产生一个未配对的2p电子，它们之间长程交换耦合，形成稳定的铁磁性，其居里温度大约在278 ~ 417 K。这比目前已知的方法更具有可控性和可操作性，它不但能保持graphene 骨架结构的完整性和磁性的均匀分布， 而且还能避免在组装nano-ribbon 的过程中所引起的磁性的粹灭。该研究成果将拓广graphene sheet 的应用前景，这种新型二维铁磁性graphone sheet可望应用于自旋电子学和微电子学等多种领域。Nano Letters的审稿人高度评价了这一工作。

该论文的第一作者周健是孙强教授的硕士研究生，该论文的合作者包括弗吉尼亚联邦大学物理系王前副教授、P. Jena教授，中国科学院上海技术物理研究所陈效双研究员，以及日本东北大学金属材料研究所Y. Kawazoe教授。该研究得到国家自然科学基金委的资助。