石墨烯是一種由碳制成的二維結(jié)構(gòu)，是一種具有出色機(jī)械，電子和光學(xué)性能的材料。但是，它似乎不適合磁性應(yīng)用。Empa的研究人員與國(guó)際伙伴合作，現(xiàn)已成功合成了1970年代預(yù)測(cè)的獨(dú)特納米石墨烯，這最終證明了非常特殊形式的碳具有磁性能，可以允許將來(lái)的自旋電子學(xué)應(yīng)用。結(jié)果剛剛發(fā)表在著名的《自然納米技術(shù)》雜志上。

取決于其邊緣的形狀和方向，石墨烯納米結(jié)構(gòu)(也稱為納米石墨烯)可以具有非常不同的特性-例如，它們可能表現(xiàn)出導(dǎo)電，半導(dǎo)體或絕緣行為。但是，到目前為止，其中一項(xiàng)屬性難以捉摸：磁性。Empa研究人員與德累斯頓工業(yè)大學(xué)，芬蘭阿爾托大學(xué)，美因茨馬克斯普朗克聚合物研究所和伯爾尼大學(xué)的同事一起，成功地構(gòu)建了具有磁性的納米石墨烯，該磁性石墨烯可能是自旋基的決定性成分。電子設(shè)備在室溫下工作。

石墨烯僅由碳原子組成，但是磁性是幾乎不與碳相關(guān)的性質(zhì)。那么碳納米材料如何表現(xiàn)出磁性呢?要了解這一點(diǎn)，我們需要深入了解化學(xué)和原子物理學(xué)領(lǐng)域。

石墨烯中的碳原子排列成蜂窩結(jié)構(gòu)。每個(gè)碳原子都有三個(gè)相鄰的碳原子，與它們形成交替的單鍵或雙鍵。在一個(gè)單鍵中，每個(gè)原子的一個(gè)電子(即所謂的價(jià)電子)與其相鄰原子結(jié)合;而在雙鍵中，每個(gè)原子有兩個(gè)電子參與。有機(jī)化合物的這種交替的單鍵和雙鍵表示形式稱為Kekulé 結(jié)構(gòu)，以德國(guó)化學(xué)家AugustKekulé的名字命名，后者首先提出了最簡(jiǎn)單的有機(jī)化合物之一苯的表示法(圖1)。這里的規(guī)則是，居住在同一軌道上的電子對(duì)的旋轉(zhuǎn)方向(即所謂的自旋)必須不同，這是量子力學(xué)鮑里氏排斥原理的結(jié)果。

“但是，在某些由六邊形制成的結(jié)構(gòu)中，永遠(yuǎn)不能繪制出滿足每個(gè)碳原子鍵合要求的交替的單鍵和雙鍵圖案。結(jié)果，在這樣的結(jié)構(gòu)中，一個(gè)或多個(gè)電子被迫保持不成對(duì)并且不能形成”，尚塔努·米什拉(Shantanu Mishra)解釋說(shuō)，他正在由羅馬·法塞爾(Roman Fasel)領(lǐng)導(dǎo)的Empa nanotech @ surfaces實(shí)驗(yàn)室研究新型納米石墨烯。電子的非自愿不配對(duì)現(xiàn)象稱為“拓?fù)浯煺?rdquo;(圖1)。

左：Clar的高腳杯作為石墨烯的插圖。右：圖示苯的Kekulé結(jié)構(gòu)(上圖)以及為Clar的高腳杯繪制Kekulé結(jié)構(gòu)而不留下不成對(duì)電子的可能性(下圖)。信用：Empa

但這與磁力有什么關(guān)系?答案在于電子的“自旋”。電子繞其自身的軸旋轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生微小的磁場(chǎng)，即磁矩。如果像往常一樣在原子的軌道上有兩個(gè)自旋相反的電子，則這些磁場(chǎng)會(huì)相互抵消。但是，如果電子在其軌道上單獨(dú)存在，則磁矩仍然存在，并且會(huì)產(chǎn)生可測(cè)量的磁場(chǎng)。

僅此一項(xiàng)就令人著迷。但是，為了能夠?qū)㈦娮拥淖孕米麟娐吩€需要一步。一個(gè)答案可能是在掃描隧道顯微鏡下看起來(lái)像領(lǐng)結(jié)的結(jié)構(gòu)(圖2)。

一個(gè)分子中有兩個(gè)受挫的電子

早在1970年代，捷克化學(xué)家埃里希·克拉爾(Erich Clar)是納米石墨烯化學(xué)領(lǐng)域的杰出專家，他預(yù)測(cè)了類似領(lǐng)結(jié)的結(jié)構(gòu)，稱為“克拉爾杯”(圖1)。它由兩個(gè)對(duì)稱的半部分組成，并且構(gòu)造成使得每個(gè)半部分中的一個(gè)電子都必須保持拓?fù)涫茏?。但是，由于這兩個(gè)電子是通過(guò)結(jié)構(gòu)連接的，因此它們是反鐵磁耦合的，也就是說(shuō)，它們的自旋必須沿相反的方向取向。

在其反鐵磁狀態(tài)下，Clar的酒杯可以充當(dāng)“ NOT”邏輯門(mén)：如果輸入端的自旋方向相反，則還必須強(qiáng)制輸出自旋旋轉(zhuǎn)。

左：克拉爾杯的實(shí)驗(yàn)高分辨率掃描隧道顯微照片。右：克拉克高腳杯的球棒模型(碳原子：灰色，氫原子：白色)，在反鐵磁基態(tài)下具有重疊的自旋密度分布(藍(lán)色：向上旋轉(zhuǎn)，紅色：向下旋轉(zhuǎn))。信用：Empa

但是，也有可能使結(jié)構(gòu)處于鐵磁狀態(tài)，其中兩個(gè)自旋都沿相同方向定向。為此，必須用一定的能量(即所謂的交換耦合能)激發(fā)該結(jié)構(gòu)，以使其中一個(gè)電子反轉(zhuǎn)其自旋。

但是，為了使柵極在其反鐵磁狀態(tài)下保持穩(wěn)定，它不得自發(fā)切換到鐵磁狀態(tài)。為此，交換耦合能量必須高于門(mén)在室溫下運(yùn)行時(shí)的能量耗散。這是確保未來(lái)基于納米石墨烯的自旋電子電路在室溫下能夠正常運(yùn)行的主要前提。

從理論到現(xiàn)實(shí)

然而，到目前為止，室溫穩(wěn)定的磁性碳納米結(jié)構(gòu)僅是理論構(gòu)造。現(xiàn)在，研究人員已經(jīng)首次在實(shí)踐中成功產(chǎn)生了這種結(jié)構(gòu)，并表明該理論確實(shí)符合現(xiàn)實(shí)。Mishra解釋說(shuō)：“由于Clar的酒杯具有很高的反應(yīng)性，而且合成過(guò)程很復(fù)雜，因此實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)是有要求的。” 從前體分子開(kāi)始，研究人員能夠在超高真空下在金表面上實(shí)現(xiàn)Clar酒杯，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明該分子具有準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)特性。

重要的是，他們能夠證明Clar高腳杯中的交換耦合能量較高，為23 meV(圖2)，這意味著基于自旋的邏輯運(yùn)算因此在室溫下可以保持穩(wěn)定。羅曼·法瑟爾(Roman Fasel)表示：“這是自旋電子學(xué)邁出的一小步，但很重要。