自旋電子器件利用電子的自旋自由度傳遞信息，在數據存儲和信息處理方面具有高處理速度和小功耗的優勢，和傳統半導體器件相比具有更大的潛力和優勢。減小自旋電子器件尺寸以增加密度集成和降低數據存儲成本的需求加速了納米級鐵磁體系的發展。然而，納米結構中的大部分磁矩由于尺寸效應而不能穩定存在，納米磁矩之間交換耦合的交換機理仍不清楚。因此，制備穩定的二維鐵磁體系對研究二維自旋電子器件至關重要。
近日，中科院上海微系統所信息功能材料國家重點實驗室利用高質量的單層石墨烯介導耦合鐵磁鎳納米島，實現了大面積全局二維鐵磁體系的制備。輸運測試以及磁學性能測試證明了鎳納米島/石墨烯體系具有鐵磁性，存在反常霍爾效應，其居里溫度約為80 K（圖1）。X-射線磁圓二色性（XMCD）測試和密度泛函計算（DFT）進一步表明了石墨烯是鐵磁性的，并且在石墨烯和鎳納米島之間存在反鐵磁耦合。該人工制備的鎳納米島/石墨烯鐵磁體系為研究復雜的納米尺度電子關聯和磁矩耦合機制提供一個途徑。相關研究成果以“Graphene-mediated ferromagnetic coupling in the nickel nano-islands/graphene hybrid” 為題于2021年7月23日發表在Science Advances上（Sci. Adv. 2021； 7 : eabg7054）
該論文的共同第一作者為上海微系統所的高敏博士以及韓曉雯博士，通訊作者為南京理工大學的杜永平博士，以及上海微系統所的喬山研究員、狄增峰研究員。該工作得到國家科技重大專項、國家自然科學基金、中國科學院前沿科學重點研究項目、中科院戰略性先導科技專項、上海市學術/技術帶頭人計劃等相關研究計劃的支持。
圖1 鎳納米島/石墨烯體系具有二維鐵磁特性。