一、【科学背景】
Zigzag石墨烯纳米带（zGNRs）是具有独特磁性的准一维石墨烯带，由于其边缘态所具有的自旋极化特性，在自旋电子学领域展现出巨大的应用潜力。近年来，制备原子级精确的石墨烯纳米带技术取得了长足进步，使得科学家能够通过扫描探针光谱等先进手段，揭示其拓扑相、零模金属性以及自旋极化边缘态等独特物理现象。然而，尽管理论研究和部分实验表征取得了进展，通过电学方法直接探测zGNRs的磁性仍然面临诸多挑战。这主要源于以下几个方面的问题：首先，自下而上组装的GNRs长度通常较短，难以满足实际器件制造的要求；其次，zGNRs的开放边缘化学反应性高，易导致电子性能不稳定和不均一掺杂；再者，在窄的zGNRs中，边缘态之间的反铁磁耦合非常强，使得在适度的磁场下很难检测到显著的电学信号；最后，虽然理论上可以通过施加横向电场实现zGNRs的半金属性，但所需的电场强度过高，在实验上难以实现。因此，如何克服上述技术和材料障碍，实现对zGNRs内禀边缘态磁性的直接电输运测量，是当前该领域亟待解决的关键问题。
二、【创新成果】
近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所王浩敏团队团队在Nature Materials上发表了题为“Signatures of magnetism in zigzag graphene nanoribbons embedded in a hexagonal boron nitride lattice”的论文，通过将zGNRs嵌入六方氮化硼（hBN）中，首次通过电输运测量直接证实了其边缘态的磁性。研究团队在低温下通过磁输运测量，观察到了清晰的法布里-珀罗干涉模式和显著的各向异性磁阻效应。这些结果有力地证明了zGNR边缘态中存在稳定的磁有序，为未来基于石墨烯的自旋电子器件提供了新的研究平台。
图1. 扫描NV色心显微镜对嵌入hBN的zGNR的磁性测量 © 2025 Springer Nature
图2 嵌入hBN中的~9 nm宽zGNR及其电学特性 © 2025 Springer Nature
图3 嵌入hBN的~9 nm宽zGNR器件的磁输运特性 © 2025 Springer Nature
图4 偏压和温度依赖的~9 nm宽zGNR场效应晶体管磁阻特性 © 2025 Springer Nature
三、【科学启迪】
该研究成功展示了嵌入hBN的zGNRs独特的磁性调控潜力。与氢终端zGNRs不同，hBN嵌入的zGNRs表现出半金属性，其中一种自旋电子呈半金属态，形成狄拉克点，而另一种自旋电子则呈半导体态。更重要的是，通过对hBN-zGNR异质结进行电荷掺杂，可以诱导其从反铁磁基态转变为亚铁磁基态。在这种亚铁磁态下，两个边缘的磁矩虽然仍然反向平行，但大小不相等，从而产生了整体的自旋极化。这一发现首次证明了利用电学手段有效调控zGNRs磁性的可行性，为在纳米尺度上开发基于石墨烯的自旋电子器件提供了新的思路。本研究最突出的创新点在于利用异质结构实现了对石墨烯本征磁性的电场控制。
原文详情：https://www.nature.com/articles/s41563-025-02317-4
