1988年，法國科學家Albert Fert 和德國科學家Peter Grünberg獨立地在金屬多層膜中發現了巨磁阻效應，即材料的電阻在外磁場下急劇地變化。目前巨磁阻技術已經廣泛應用於磁記錄、磁存儲和磁傳感器中，極大地提升了電腦硬碟的數據儲存量。然而，傳統的三維金屬多層膜，根據Wallace空間磁損失定律，磁探測信號強度會因為自身厚度呈指數級衰減，這極大地限制了高精度磁探測的空間解析度。二維材料如石墨烯，由於其單層原子屬性（0.34 納米厚度）以及高的遷移率和優良的熱穩定性，在巨磁阻技術中有著獨特優勢：理論預測可以實現納米級磁疇的空間解析度。新加坡國立大學先進二維材料研究中心一直致力於開發石墨烯的室溫巨磁技術。2013年，Yang Hyunsoo教授首先報道了單層石墨烯在室溫下可以達到275%的巨磁阻效應 【PRB. 88, 195429 (2013)】，後來他們又發現多層石墨烯可以擁有更高的巨磁阻效應【Nat. Comm. 6, 8337 (2014)】。但是由於多層石墨烯在大規模工業化製備上的困難，2018年, Loh Kianping教授報道了在單層石墨烯也可以實現775%的室溫巨磁阻效應 【Nano. Lett. 18, 3377 (2018)】。根據新加坡國立大學Shaffique Adam教授的理論研究 【PRB. 96, 224203 (2017)】，石墨烯要想擁有大的巨磁阻效應，需要在引入混亂增強局域電子散射的同時，自身必須保持優異的電學性質。因此，如何在引入混亂增強局域電子散射的同時，又能不破壞石墨烯本徵的電子結構，成為增強石墨烯室溫巨磁阻的關鍵。
基於此，新加坡國立大學的Ariando教授，Andrew wee教授以及新加坡科技局（A*STAR）材料研究所楊明博士等人聯合報道了通過人工摺疊單層石墨烯增強室溫巨磁阻的研究。Ariando教授將單層石墨烯摺疊成類似梯田的結構，引入了拓撲褶皺和不均勻的電荷坑窪，從而觀察到接近5000%的室溫巨磁阻效應（圖1）。這種階梯石墨烯可以通過人工控制和設計來實現，並和目前半導體工藝相匹配，有大規模應用的潛力（圖2）。他們還系統地研究了溫度、載流子濃度以及垂直磁場強度對石墨烯巨磁阻的影響，闡明了巨磁阻效應來源於石墨烯本徵的性質（圖3）。Andrew wee教授用nc-AFM/STM研究了階梯石墨烯在納米尺寸上的拓撲起伏和電荷坑窪，確立了階梯石墨烯表面的電荷不均勻主要是由於表面應力導致的。楊明博士用DFT計算進一步揭示了這種表面應力的來源是石墨烯和襯底之前的晶格失匹配和強的相互作用。通過模擬不同應力下電荷密度分布情況，從微觀上解釋了人工摺疊單層石墨烯增強電子局域散射的物理機制。相關內容以題名為 「Room-temperature colossal magnetoresistance in terraced single-layer graphene」發表在國際著名材料期刊 《Advanced Materials》上，並已申請新加坡國家發明專利【申請號：10202002964X】。
綜上所述，作者在不顯著改變石墨烯本徵電子結構的前提下，新穎地在單層石墨烯中引入拓撲褶皺和不均勻的電荷坑窪，從而實現了在單層石墨烯中增強室溫巨磁阻的設計目的。從實際應用上講，這種階梯石墨烯可以通過人工設計和控制，和目前的半導體工藝相匹配，朝大規模應用又進了一步。階梯石墨烯所表現的巨磁阻行為具有很高的穩定性並且可以通過電場調控，從而為高精度空間解析度的石墨烯磁探測器提供了技術支持。從基礎研究上講，這種通過階梯引入局部應力的設計，也可以為其他對應力敏感的二維材料提供新的研究思路。
文獻連結：Room-Temperature Colossal Magnetoresistance in Terraced Single-Layer Graphene.（Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.202002201）
圖1 階梯石墨烯的設計概念和基本表征
圖2 介面材料對階梯石墨烯室溫巨磁阻的影響
圖3 頂柵電壓，溫度和磁場角度對階梯石墨烯室溫巨磁阻的影響
圖4 階梯石墨烯在納米尺度上的原子和電子結構表征
參考文獻：
Room-Temperature Colossal Magnetoresistance in Terraced Single-Layer Graphene.（Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.202002201）
來源：材料人