科学家用氮做“卧底”，首次直接观察到石墨烯纳米带边缘磁性现象
石墨烯纳米带中神秘的磁性
石墨烯（Graphene）是一种以sp²杂化碳原子紧密堆积而成的二维单层蜂窝状材料，由英国曼彻斯特大学的物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫首次采用胶带法从石墨中剥离得到，具有优异的光学、电学、力学特性，在材料、微纳加工、能源、生物医学等方面具有广阔的应用前景，是一种革命性材料。
电子绕原子核运动过程中会产生电子磁矩，这种现象在信息存储和逻辑运算时非常重要。Wang H等人猜测，将二维石墨烯做成高长径比的纳米带之后，石墨烯锯齿状边缘数量显著增加，由于独特的锯齿状拓扑结构，会导致石墨烯边缘电子态的空间局域化，从而产生“非典型”磁性效应。
Son Y W等人通过计算发现，处于锯齿状边缘的电子，如果它们在同一边缘，则电子的自旋倾向于平行排列；如果在相反的边缘，则会反平行排列。Mishira S等人发现当纳米带比较短的时候边缘确实产生了磁矩以及更加复杂的相互作用，但这种纳米带太短，没有应用价值。
迄今为止，还没有科学家在高长径比石墨烯纳米带锯齿状边缘发现这种特殊的磁性现象，更多的只是猜测与理论计算。
氮做 “卧底”解决问题
石墨烯纳米带锯齿边缘的磁性现象很难观察，是由于纳米带足够长后与基底（一般为金或银）产生了强烈的耦合相互作用和杂化现象，掩盖了边缘的磁性现象。
加利福尼亚大学、劳伦斯伯克利国家实验室的两院院士Steven G. Louie教授和Felix R. Fischer助理教授团队在加热的基底表面通过催化反应生成了原子级分辨率的高长径比石墨烯纳米带，为了降低纳米带与基底的相互作用，引入了氮原子做“卧底”，由于取代度低，对纳米带的电子结构和边缘磁性影响很小。但是，氮的引入降低了锯齿状边缘碳原子与基底的相互作用，两个具有能量差的外轨道可以直接通过扫描隧道显微镜观察，从而直接证明了石墨烯纳米带中锯齿状长边缘的磁性。这一研究成果发表在了2021年《Nature》上。Raymond E. Blackwell、赵方舟（上海交通大学2015届毕业生）为共同一作。
大力出奇迹
图1. 氮取代的锯齿状石墨烯纳米带磁性示意图。红色和蓝色箭头表示边缘处的电子磁矩，灰色和蓝色球状结构分别代表碳和氮原子轨道。
研究者通过细致的实验设计，在石墨烯纳米带锯齿状边缘处，每隔6个碳原子就准确引入1个氮原子（图1）。一开始在扫描隧道显微镜的光谱数据中没有发现边缘磁性特征，随后他们增大电压，当探针接触到纳米带时发生了不可逆转的结构转变，纳米带脱离了基底，虽然机制尚不明确，但他们认为氮原子功不可没。
氮解放了碳
为了进一步说清楚氮掺杂石墨烯在基底上的结构，研究者进行了理论计算。发现纳米带边缘的氮原子实际上与基底形成了强键合，氮原子在最低位置“牵制”基底，降低了其它碳原子与基底的相互作用，从而与基底解耦，这种波浪起伏的纳米带结构最稳定。
此外，氮原子的存在还方便了探测纳米带的边缘磁性：氮原子的两个外轨道电子与碳原子不同，自旋方向具有不同的能量，一个比另一个高，这种差异可以用扫描隧道显微镜检测到，从而直接证明了石墨烯纳米带中锯齿状长边缘的磁性。
小结
研究者利用氮对石墨烯纳米带边缘进行了准确掺杂，氮原子的加入不仅解放了边缘的碳原子，而且利用自身两个外轨道能量的差异，首次通过扫描隧道显微镜直接观察到了边缘磁性现象。这一成果，为研究石墨烯纳米带在金属表面的解耦机理、寻找除了氮以外的其它探针原子、解锁更多的磁性特征奠定了基础。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/d41586-021-03768-w
https://www.nature.com/articles/s41586-021-04201-y