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二维材料，Nature！

研之成理 · 公众号 · 科研 · 2025-03-17 08:01

正文

▲第一作者：Arjun Ashoka

通讯作者：Raj Pandya

通讯单位：英国剑桥大学，法国索邦大学，英国考文垂华威大学

DOI：10.1038/s41586-024-08563-x （点击文末「阅读原文」，直达链接）

研究背景

纳米带是一种二维材料，宽度为纳米级，是凝聚态物理中的独特体系。它们将低维材料的奇异电子结构与大量暴露的边缘相结合，在这些边缘上可以出现包括超长自旋相干时间、量子限制效应以及拓扑保护态在内的现象。这种材料概念的一个激动人心的前景是，沿着纳米带边缘可能实现可调的半导体电子结构和磁性，这是基于自旋的电子学（如低能耗非易失性晶体管）的一个关键特性。

研究问题

本文报告了磷烯纳米带（phosphorene nanoribbons，P NRs ）的磁性和半导体特性。本文证明，在室温下， PNRs 薄膜显示出源自其边缘的宏观磁性，内部磁场约为 240 至 850 毫特斯拉。在溶液中，巨大的磁各向异性使得 PNRs 能够在低于 1 特斯拉的磁场下对齐。通过利用这种对齐效果，发现光激发时能量会迅速传递到局限于磁性边缘并与对称禁止的边缘声子模式耦合的状态。本文的研究结果确立了 PNRs 作为一个迷人的系统，用于研究室温下磁性与半导体基态之间的相互作用，并为在量子电子学中使用低维纳米材料提供了重要的基石。

图 1| PNRs 的形状、磁性和光学各向异性

要点：

1.PNRs （黑磷纳米带）可以通过多种方法轻松制造，包括自上而下的方法，这些方法可以产生微米长度、高纵横比的带状结构，其长轴完全沿着黑磷母晶格的锯齿状结晶学方向对齐（图 1a ） —— 这是基于纳米带应用的关键特性。预测存在的可见带隙以及边缘铁磁性，加上高的居里温度，使得 PNRs 在研究低维系统中功能性电子属性与磁性之间的交叉点方面颇具吸引力。

2. 本文研究了边缘呈锯齿状对齐的宽度均匀的 PNRs （沿带状结构的标准偏差小于 1 纳米），在溶液中和基底上的整体水平上进行了研究。 PNRs 是在批量溶液中生产的，平均带状宽度约为 15 纳米，平均长度约为 700 纳米，且主要以单层形式存在（超过 70% ）。图 1a 显示了一条典型的单个单层带状结构的原子力显微镜（ AFM ）图像（高度为 0.58±0.14 纳米，宽度为 8.12±1.08 纳米），以及使用高速 AFM 沿带状结构测量的其宽度和高度分布的直方图。

3. 为了研究 PNRs 的磁基态，首先通过磁场诱导对齐实验（线性二向色性和线性双折射）建立内在的磁各向异性程度是很重要的。如图 1b 中 PNRs 溶液的磁线性双折射数据所示， PNRs 的取向各向异性在室温下接近 10T 时饱和，这比其他已知纳米材料低得多。通过将数据拟合到取向磁能，本文得到材料体积磁化率各向异性（ Δχ ）乘以材料的体积（ V ），即 ΔχV=5×10 ^-27 m ³ 。本文还观察到在 543 纳米处有一个磁场诱导的线性二向色性信号，当光沿着磁场方向偏振时， PNRs 溶液吸收的光更多（图 1b ，插图）。预计 PNRs 对于垂直于锯齿方向偏振的光具有更高的吸收截面，正如在黑磷上所报道的实验结果以及通过对 PNRs 进行 GW-BSE （ GW-Bethe-Salpeter 方程）计算所获得的结果。因此，本文得出结论，在磁场中，这些带状结构在溶液中以其短轴沿磁场方向对齐。

图 2|EPR 和 FMR 局部磁性关联

要点：

1. 接下来，本文通过在电子顺磁共振（ EPR ）样品管内壁形成的薄膜上进行连续波电子顺磁共振（ cwEPR ）测量，研究了 PNRs 边缘的局部自旋关联。与带边缘存在未成对电子的假设一致，本文在室温下观察到了一个宽约 12-19 mT 、 g 值约为 2 的 EPR 信号，如图 2a,b 所示。然而，更宽的磁场扫描范围（ 0-1400 mT ）揭示了更为强烈甚至更宽的铁磁共振（ FMR ）信号（图 2a ）。

2.EPR 信号还表现出强烈的温度依赖性，其中线宽和 g 因子值是非单调的，线宽在冷却至大约 50 K 时发散且信号消失，而在更低温度下信号又重新出现（图 2c ；与在 SQUID 、拉曼测量等中观察到的特征温度相同）。在 EPR 光谱仪中旋转样品管时，本文发现 EPR 和 FMR 信号都显示出围绕样品管长轴的强方向依赖性，如图 2d 所示。这种行为源于内壁薄膜在厚度、堆积、 PNR 取向和尺寸上的不均匀性。

图 3| 光激发偶极子弛豫动力学

要点：

1. 利用光学泵浦 - 探测光谱学关注电子动力学，本文观察到在 800 纳米（ ESA 1 ）和 500 纳米（ ESA 2 ）处出现了两个长寿命的（纳秒级）激发态吸收（ ESA ）带，以及在 700 纳米处有一个重叠的短寿命的（皮秒级）宽光子漂白带（图 3a ）。在图 3b 中，本文展示了对溶液中的 PNRs 进行偏振分辨的泵浦 - 探测实验的结果，实验中施加了 800 毫特斯拉的外部磁场，采用法拉第几何结构（其中带状结构以其短轴沿磁场方向对齐；图 1b ）。本文发现，典型的共线水平泵浦 - 水平探测和垂直泵浦 - 垂直探测信号的简并性被解除，并且在施加 800 毫特斯拉的磁场时，实验中引入了一个实验室轴。磁场沿着实验室轴的 H 方向极化，正如预期的那样，由于沿水平泵浦 - 水平探测方向的净线性二向色性增加，导致了更高的瞬态吸收信号。

2. 本文利用这种磁对齐效应，通过减去不同场强下水平泵浦 - 水平探测和垂直泵浦 - 垂直探测的偏振瞬态吸收图谱，来分离磁性对齐带状结构的光谱特征（与非磁性亚群的光学特征相对）。如图 3c 所示，发现光诱导吸收带（ ESA 1 ）的幅度和动力学受外部磁场的干扰最大。因此，本文可以有信心地将 ESA 1 归因于磁性活性带状结构。

二维材料，Nature！

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