近期，中科院合肥研究院强磁场中心与固体所的科研人员合作，对二维铁磁/反铁磁材料开展了系列研究，在二维磁性材料居里温度提升（室温铁磁碳纳米片）、二维磁性材料类型拓展（二维有机反铁磁聚合物）方面分别取得了进展。相关成果分别发表在Journal of Physical Chemistry C 和 Polymer Chemistry （内封面）期刊上。
磁性材料是自旋电子器件的基础。二维磁性材料的研发为未来尺寸更小、能耗更低的自旋电子学器件的实现提供了可能，因而成为了材料物理领域的新宠。目前，该领域有两个方面的研究备受关注：其一是提高二维体系的居里温度，最好能到室温以上；其二是拓展二维磁性材料的类型，除了无机的还需要有机的，除了铁磁的还需要反铁磁的。
目前，大多数二维磁性是通过机械剥离三维磁性晶体来实现的。这类体系的本征居里温度普遍较低（< 250 K）。提高居里温度，除了元素掺杂、外场调控，缺陷工程也是重要的备选方案之一。已有理论和实验证实，在非金属、轻元素系统中的s-p电子间也可以建立强的磁性耦合，而且有可能实现高于室温的转变温度。因此在原本的非磁二维材料上，通过缺陷工程（掺杂、吸附、点缺陷、边缘、自由基等）引入磁性也是极具前景的，这种非本征磁性有望实现更高的转变温度。
通过合作研究，项目组用武兹反应合成内嵌石墨纳米晶的无定形碳纳米片，并发现由石墨纳米晶的锯齿形边界（zigzag edge）引起的室温铁磁强度可达0.22emu/g，比此前报道的点缺陷诱导的石墨室温铁磁强度大两个数量级。结合进一步的实验和第一性原理计算，研究人员发现碳纳米片的磁性主要依赖于锯齿形边界间的距离，随着距离由3.6nm减小0.8nm，边界间的磁性耦合由铁磁转变为反铁磁。室温铁磁性是二维磁性材料走上应用的前提，这些发现为碳基磁性材料的应用提供了可行性。
另一方面，在大量无机二维磁性材料研究的背后，二维有机磁性材料的制备仍面临挑战。迄今为止，仅发现一种二维有机铁磁材料，具有反铁磁行为的二维有机材料更是有待开发。项目组首先设计并合成了三（2,3,5,6-四氯-4-乙炔基苯基）甲基自由基作为单体，然后通过自由基单体在液/液界面的聚合，制备了独立的二维有机磁性聚自由基（OMP）纳米片。通过自由基之间的磁交换耦合，获得的二维OMP纳米片具有反铁磁特性，奈耳温度达到42.5K。据了解，这是首次展示具有反铁磁特性的新型二维有机结构人工材料，该材料可作为二维有机自旋电子器件的基本组成部分。该工作获被Polymer Chemistry选为当期内封面。
上述研究工作获得了国家自然科学基金，国家重点研发专项、中科院前沿科学重点研究项目的支持。
文章链接地址：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpcc.0c01986
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/py/c8py01287c#!divAbstract
图2：二维反铁磁聚自由基纳米片的封面以及磁性数据
