石墨烯由于高载流子迁移率、长自旋扩散长度和弱自旋轨道耦合等优良性质，被认为是下一代自旋电子学应用中极具前景的材料。如何在本征抗磁的石墨烯中诱导出稳定的室温铁磁性，是石墨烯基自旋电子学器件制备面临的首要问题之一。目前，研究人员已尝试多种途径来实现石墨烯中的铁磁有序(包括利用空位缺陷、sp3功能化、化学掺杂、表面吸附和构造边缘态等)，但获得的磁矩往往相对较弱且不稳定，铁磁有序无法在室温下维持。
研究组基于以往二维过渡金属硫属化合物的磁性调控研究经验(Nature Communications, 10, 1584;Angewandte Chemie International Edition, 60, 7251)和DFT材料模拟设计，认为精确可控的磁性过渡金属(Fe、Co、Ni等)掺杂是解决这一问题的有效方案。为了克服将过渡金属原子嵌入石墨烯晶格的巨大势垒，研究组采用Pauling电负性高于C元素(2.5)的N元素(3.5)进行共掺杂，利用N原子构造锚定位点，将Co原子牢固的束缚在石墨烯晶格中，从而提供稳定的局域磁矩，并通过Co-N-C之间的轨道杂化形成铁磁交换作用，最终实现石墨烯的室温铁磁性(图1)。
研究组利用两步浸渍-热解的方法，在N原子辅助下，将Co原子单分散掺杂在石墨烯晶格中，样品在室温下饱和磁化强度为0.11emu g-1，居里温度达到400 K。通过同步辐射软、硬X射线谱学技术和多种X射线谱学解析方法(实空间多重散射理论计算、扩展边定量拟合、多组态计算和小波变换)，研究证实了样品中的Co是以平面四边形CoN4结构单元原子级分散于石墨烯晶格中，排除了磁性起源于Co相关第二相的可能。DFT电子结构计算进一步表明，CoN4-石墨烯体系具有金属性的能带构造，存在Fermi面处态密度显著增强(根据Stoner判据，确保室温铁磁性)，Co-3d和C/N-2p轨道杂化，以及π电子自旋极化，表明CoN4-石墨烯体系中的室温铁磁性起源于传导电子中介的类RKKY长程铁磁交换机制，Co-N4结构单元是室温铁磁性的主要来源。
研究工作得到国家自然科学基金、合肥大科学中心高端用户培育基金和中国博士后科学基金等的资助。
图1.精确可控的Co原子掺杂激活石墨烯室温铁磁性
图2.同步辐射X射线谱学和常规表征证实Co原子以CoN4分散于石墨烯晶格中
