石墨烯由于高載流子遷移率、長自旋擴散長度和弱自旋軌道耦合等優(yōu)良性質，被認為是下一代自旋電子學應用中極具前景的材料。如何在本征抗磁的石墨烯中誘導出穩(wěn)定的室溫鐵磁性，是石墨烯基自旋電子學器件制備面臨的首要問題之一。目前，研究人員已嘗試多種途徑來實現(xiàn)石墨烯中的鐵磁有序(包括利用空位缺陷、sp3功能化、化學摻雜、表面吸附和構造邊緣態(tài)等)，但獲得的磁矩往往相對較弱且不穩(wěn)定，鐵磁有序無法在室溫下維持。
研究組基于以往二維過渡金屬硫屬化合物的磁性調控研究經驗(Nature Communications, 10, 1584;Angewandte Chemie International Edition, 60, 7251)和DFT材料模擬設計，認為精確可控的磁性過渡金屬(Fe、Co、Ni等)摻雜是解決這一問題的有效方案。為了克服將過渡金屬原子嵌入石墨烯晶格的巨大勢壘，研究組采用Pauling電負性高于C元素(2.5)的N元素(3.5)進行共摻雜，利用N原子構造錨定位點，將Co原子牢固的束縛在石墨烯晶格中，從而提供穩(wěn)定的局域磁矩，并通過Co-N-C之間的軌道雜化形成鐵磁交換作用，最終實現(xiàn)石墨烯的室溫鐵磁性(圖1)。
研究組利用兩步浸漬-熱解的方法，在N原子輔助下，將Co原子單分散摻雜在石墨烯晶格中，樣品在室溫下飽和磁化強度為0.11emu g-1，居里溫度達到400 K。通過同步輻射軟、硬X射線譜學技術和多種X射線譜學解析方法(實空間多重散射理論計算、擴展邊定量擬合、多組態(tài)計算和小波變換)，研究證實了樣品中的Co是以平面四邊形CoN4結構單元原子級分散于石墨烯晶格中，排除了磁性起源于Co相關第二相的可能。DFT電子結構計算進一步表明，CoN4-石墨烯體系具有金屬性的能帶構造，存在Fermi面處態(tài)密度顯著增強(根據(jù)Stoner判據(jù)，確保室溫鐵磁性)，Co-3d和C/N-2p軌道雜化，以及π電子自旋極化，表明CoN4-石墨烯體系中的室溫鐵磁性起源于傳導電子中介的類RKKY長程鐵磁交換機制，Co-N4結構單元是室溫鐵磁性的主要來源。
研究工作得到國家自然科學基金、合肥大科學中心高端用戶培育基金和中國博士后科學基金等的資助。
圖1.精確可控的Co原子摻雜激活石墨烯室溫鐵磁性
圖2.同步輻射X射線譜學和常規(guī)表征證實Co原子以CoN4分散于石墨烯晶格中
