微纳传感与人工智能感知山西省重点实验室以“Edge Magnetism of Triangular Graphene Nanoflakes Embedded in Hexagonal Boron Nitride”为题，近日在国际期刊Carbon（IF: 11.307）上发表学术研究论文。课题组葛阳老师、中国矿业大学陈令修老师为本工作的共同第一作者，课题组桑胜波教授、中科院微系统所王浩敏研究员、中国矿业大学陈令修老师为通讯作者。
作为二维原子晶体的典型代表，石墨烯优异的物理化学特性受到了学术界与工业界的广泛关注。锯齿状边界更是可诱导出独特的边界磁性（edge magnetism），使得具有锯齿状边界的石墨烯纳米片（GNFs）、纳米带（GNRs）在高速、低功耗自旋电子器件中具有巨大的应用潜力，成为未来探索石墨烯电子学应用的重要研究对象。特别的，在打破子晶格对称性的情况下，三角形GNF可以展现出惊人的非零净磁矩，而由两个三角形GNF组成的领结形（bowtie-shape）锯齿状边界的石墨烯纳米片（BZGNF）则可以呈现出反铁磁磁序，它们极有可能被制备成一个基本的单分子器件。然而，边缘缺陷的散射效应会大大降低诱导出的边界磁性，进而影响器件工作性能。常规光刻、扫描隧道显微镜光刻和化学组装等制备方法虽然可以实现各种石墨烯纳米结构的制备，但这些方法极易导致边缘重建，或引入化学官能团以及诱发结构缺陷，因此，在衬底上精确控制生长锯齿状边界的石墨烯纳米片仍然具有很大的挑战性。
为了保护可诱导出磁性的锯齿状边界，适当的模板策略制备方法是实现具有锯齿状边界石墨烯纳米结构的可行途径。由于h-BN和石墨烯的晶格结构十分相似，GNFs极有可能在h-BN的孔模板中外延生长，进而可以有效地保护可诱导出边界磁性的锯齿状边界。为此，研究人员提出两步模板外延生长方法。该策略首先采用六方氮化硼（h-BN）作为模板，在氮化硼表面刻蚀出锯齿状边界的预设形状沟槽。第二步在所述沟槽内通过化学气相沉积法（CVD）外延生长锯齿状边界的GNFs。该方法不易引入杂质，且工艺简单。进一步的磁力显微镜（MFM）测试结果证实了嵌入在h-BN中的GNFs具有边界磁性，磁滞回线（M-H）测试结果显示嵌入六方氮化硼（h-BN）中的GNFs在室温下可产生约1e-4 emu/g量级的微弱磁性。此外，研究人员还通过第一性原理计算进一步明确了这种边界磁序的起源，即来源于锯齿状C-BN界面局域“未配对”电子之间的超交换相互作用，并且在嵌入h-BN中的领结形锯齿状边界GNF模型中成功预测出其独特的反铁磁特性。
综上，研究人员提出的在预蚀刻h-BN衬底上外延生长GNFs的平面异质集成方法为实验上合成锯齿状边界的GNFs提供了一种模板外延生长方法，为制备出具有边界磁性的低维石墨烯纳米结构提供了有利的实验支撑。
本研究得到了国家自然科学基金、中国博士后科学基金、山西省自然科学基金的大力支持。
