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]