近期，中科院合肥研究院強磁場中心與固體所的科研人員合作，對二維鐵磁/反鐵磁材料開展了系列研究，在二維磁性材料居里溫度提升（室溫鐵磁碳納米片）、二維磁性材料類型拓展（二維有機反鐵磁聚合物）方面分別取得了進展。相關成果分別發(fā)表在Journal of Physical Chemistry C 和 Polymer Chemistry （內(nèi)封面）期刊上。 

　　磁性材料是自旋電子器件的基礎。二維磁性材料的研發(fā)為未來尺寸更小、能耗更低的自旋電子學器件的實現(xiàn)提供了可能，因而成為了材料物理領域的新寵。目前，該領域有兩個方面的研究備受關注：其一是提高二維體系的居里溫度，最好能到室溫以上；其二是拓展二維磁性材料的類型，除了無機的還需要有機的，除了鐵磁的還需要反鐵磁的。

    目前，大多數(shù)二維磁性是通過機械剝離三維磁性晶體來實現(xiàn)的。這類體系的本征居里溫度普遍較低（< 250 K）。提高居里溫度，除了元素摻雜、外場調(diào)控，缺陷工程也是重要的備選方案之一。已有理論和實驗證實，在非金屬、輕元素系統(tǒng)中的s-p電子間也可以建立強的磁性耦合，而且有可能實現(xiàn)高于室溫的轉變溫度。因此在原本的非磁二維材料上，通過缺陷工程（摻雜、吸附、點缺陷、邊緣、自由基等）引入磁性也是極具前景的，這種非本征磁性有望實現(xiàn)更高的轉變溫度。

    通過合作研究，項目組用武茲反應合成內(nèi)嵌石墨納米晶的無定形碳納米片，并發(fā)現(xiàn)由石墨納米晶的鋸齒形邊界（zigzag edge）引起的室溫鐵磁強度可達0.22emu/g，比此前報道的點缺陷誘導的石墨室溫鐵磁強度大兩個數(shù)量級。結合進一步的實驗和第一性原理計算，研究人員發(fā)現(xiàn)碳納米片的磁性主要依賴于鋸齒形邊界間的距離，隨著距離由3.6nm減小0.8nm，邊界間的磁性耦合由鐵磁轉變?yōu)榉磋F磁。室溫鐵磁性是二維磁性材料走上應用的前提，這些發(fā)現(xiàn)為碳基磁性材料的應用提供了可行性。 

　　另一方面，在大量無機二維磁性材料研究的背后，二維有機磁性材料的制備仍面臨挑戰(zhàn)。迄今為止，僅發(fā)現(xiàn)一種二維有機鐵磁材料，具有反鐵磁行為的二維有機材料更是有待開發(fā)。項目組首先設計并合成了三（2,3,5,6-四氯-4-乙炔基苯基）甲基自由基作為單體，然后通過自由基單體在液/液界面的聚合，制備了獨立的二維有機磁性聚自由基（OMP）納米片。通過自由基之間的磁交換耦合，獲得的二維OMP納米片具有反鐵磁特性，奈耳溫度達到42.5K。據(jù)了解，這是首次展示具有反鐵磁特性的新型二維有機結構人工材料，該材料可作為二維有機自旋電子器件的基本組成部分。該工作獲被Polymer Chemistry選為當期內(nèi)封面。 

　　上述研究工作獲得了國家自然科學基金，國家重點研發(fā)專項、中科院前沿科學重點研究項目的支持。 

　　文章鏈接地址： 

　　https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpcc.0c01986 

　　https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/py/c8py01287c#!divAbstract 

圖1：鋸齒形邊界導致的室溫鐵磁性碳納米片示意圖

圖2：二維反鐵磁聚自由基納米片的封面以及磁性數(shù)據(jù)