近期，我院王慧山副研究员和中国科学院上海微系统与信息技术研究所王浩敏研究员团队在锯齿型石墨烯纳米带（zGNRs）磁性研究中取得进展。通过金属粒子预刻蚀六方氮化硼（hBN）得到取向的原子沟槽，并利用气相催化CVD方法实现沟槽内石墨烯纳米带的手性可控制备，得到嵌入hBN晶格的约9 nm宽度的zGNRs样品。结合扫描NV色心显微镜和磁输运测量，在实验中直接证实了其本征磁性。相关研究成果以“Signatures of magnetism in zigzag graphene nanoribbons embedded in a hexagonal boron nitride lattice”为题，发表在《自然 材料》（Nature Materials）上（DOI：10.1038/s41563-025-02317-4）。
石墨烯作为一种独特的二维材料，其p轨道电子磁性与传统磁性材料中d/f轨道电子的局域磁性截然不同，这为探索纯碳基量子磁性开辟了新的研究方向。zGNRs因其在费米能级附近可能具有独特的磁性电子态，被认为在自旋电子学器件领域具有巨大潜力。嵌入hBN晶格的zGNRs具备更高的边界稳定性，并具备内建电场，为探测zGNRs的磁性创造了理想的条件。借助先进的扫描NV色心显微镜技术，首次在室温下直接观测到了zGNRs的磁性信号（图1）。
图1 扫描NV色心显微镜对嵌入hBN的zGNRs磁性测量。
在输运测量中，制备的约9纳米宽的zGNR晶体管展现出高导电性和准弹道输运特性。在磁场作用下，器件表现出显著的各向异性磁阻，磁阻变化在4 K温度下高达约175 Ω，磁阻比约为1.3%，室温时依然存在（图2）。
图2 嵌入hBN的约9nm宽zGNR器件的磁输运特性。
该研究通过结合扫描NV色心显微镜技术和输运测量，直接证实了嵌入hBN的zGNRs中本征磁性的存在，为通过电场控制磁性提供了可能，这一突破性发现为石墨烯基自旋电子学器件的开发奠定了坚实基础。上海师范大学王慧山副研究员和上海微系统所王浩敏研究员为论文的通讯作者，该研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金以及集成电路材料全国重点实验室自主课题的资助。