https://doi.org/10.1038/s41563-025-02317-4

石墨烯作為一種獨特的二維材料，其p軌道電子磁性與傳統(tǒng)磁性材料中d/f軌道電子的局域磁性截然不同，這為探索純碳基量子磁性開辟了新的研究方向。鋸齒型石墨烯納米帶（zGNRs）因其在費米能級附近可能具有獨特的磁性電子態(tài)，被認(rèn)為在自旋電子學(xué)器件領(lǐng)域具有巨大潛力。然而，通過電輸運方法探測zGNRs的磁性面臨多重挑戰(zhàn)。例如，自下而上組裝的納米帶通常長度過短，難以進行可靠的器件制備。同時，zGNRs邊界的高化學(xué)反應(yīng)活性也可能導(dǎo)致不穩(wěn)定性或不均勻摻雜。此外，在較窄的zGNRs中，邊緣態(tài)的強反鐵磁耦合會使得在電學(xué)上難以測量到其磁性信號。這些因素都阻礙了針對zGNRs磁性的直接探測。

嵌入hBN晶格的zGNRs具備更高的邊界穩(wěn)定性，并具備內(nèi)建電場，為探測zGNRs的磁性創(chuàng)造了理想的條件。研究中，團隊使用了國儀量子的室溫SNVM，首次在常溫下直接觀測到了zGNRs的磁性信號。

圖1：掃描NV探針顯微鏡對嵌入六方氮化硼晶格的zGNR的磁性測量

在電學(xué)輸運測量中，制備的約9納米寬的zGNR晶體管展現(xiàn)出高導(dǎo)電性和彈道輸運特性。在磁場作用下，器件表現(xiàn)出顯著的各向異性磁阻，磁阻變化在4 K溫度下高達約175 Ω，磁阻比約為1.3%，并且該信號在高達350 K時依然存在。磁滯現(xiàn)象僅在垂直于zGNRs平面的磁場下出現(xiàn)，證實了其磁各向異性。通過對磁阻隨傾斜角變化的分析，研究人員發(fā)現(xiàn)磁矩垂直于樣品表面。此外，磁阻變化隨源漏偏壓和溫度的升高而減小，揭示了磁響應(yīng)與電荷輸運和熱振動之間的相互作用。

圖2：嵌入hBN的9納米寬zGNR器件的磁輸運特性

該研究首次通過結(jié)合掃描NV探針顯微鏡技術(shù)和輸運測量，直接證實了嵌入hBN的zGNRs中本征磁性的存在，為通過電場控制磁性提供了可能。這項工作不僅加深了對石墨烯磁性性質(zhì)的理解，更為開發(fā)基于石墨烯的自旋電子學(xué)器件開辟了新的道路。

NV

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