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石墨烯再添神奇─這回是磁性

日本與法國科學家發現在石墨烯(graphene)上製作蜂巢狀的氫端(hydrogen-terminated)奈米孔陣列(nanopore array),可使石墨烯在室溫下展現鐵磁性(ferromagnetism)。研究人員相信此磁性來自於奈米孔結鋸齒邊緣的電子自旋。該現象有助於製作不含稀有元素、輕薄透明且可彎曲的磁鐵,也可用來發展利用邊緣極化自旋(edge-polarized spin)操作的新型自旋電子元件。

石墨烯是由碳原子形成的原子尺寸蜂巢晶格結構。圖片來源:維基百科(http://0rz.tw/ZBiPe)

石墨烯是一單原子厚的二維碳材料,材質十分強韌,且導熱及導電性都極佳,應用範圍從超快電晶體到 DNA 定序,因此又有「神奇材料」的美名。日本青山學院大學(Aoyama Gakuin University)的 Junji Haruyama 表示,雖然理論已預測不含磁性原子(如鐵、鎳與鉻)的石墨烯仍可具有磁性,但製作石墨烯邊緣所使用的微影法會讓材料產生大量缺陷,反而不利形成磁性所需的鋸齒邊。

有鑑於此,Haruyama 等人以多孔氧化鋁模板(porous alumina template, PAT)作為蝕刻遮罩。PAT 是由六角形孔洞所組成蜂巢狀陣列,此結構可藉由蝕刻製程完全複製在石墨烯上。由於採用非微影方法,並以低功率氬離子進行蝕刻,在石墨烯邊緣只有少量的缺陷產生。接著,該團隊讓材料在 800°C 下進行兩階段退火:首先在真空環境中,然後再通入氫氣,目的是透過「邊緣重建」(edge reconstruction)產生邊緣為鋸齒狀的原子結構,並以氫原子加以終結。最後利用超導量子干涉儀(SQUID)確認樣本磁性。

這個包含法國研究機構 SPINTEC 的團隊目前計畫以石墨烯作為磁性半導體材料,藉由外加電壓將可調制孔隙邊緣能帶以及控制極化自旋,亦即利用量子自旋霍爾效應(quantum spin Hall effect)以及自旋整流效應(spin rectification effect)來製作自旋電晶體。詳見 Appl. Phys. Lett. 99, 183111 (2011)。

譯者:劉家銘(逢甲大學光電學系)
責任編輯:蔡雅芝
原文網址:Graphene goes magnetic—nanotechweb.org

本文來自 NanoScience 奈米科學網 [2011-12-11]

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