一维铁磁体的构建方法及一维铁磁体和应用与流程

本技术属于磁性材料，尤其涉及一维铁磁体的构建方法及一维铁磁体和应用。

背景技术：

1、具有自发磁化和磁畴现象的铁磁性材料在日常生活和科学研究、高技术应用中扮演重要角色。

2、海森堡提出了磁矩之间可能存在各向同性的交换作用来描述三维铁磁性材料中引起铁磁性的机理，同时mermin-wagner提出的原子链或者原子薄膜的一维和二维原子结构中，不可能长期存在完美排列的粒子，根据mermin-wagner定理，二维各向同性海森堡模型在有限温度内自发磁化是不存在的，因为热涨落会抵抗连续对称性的自发破缺，打破了有限温度下的长程序，从而导致有限温度下不可能发生有序相变，因此，人们过往认知中一维和二维铁磁性材料不存在。

3、直到2017年，国际顶刊《nature》两篇研究论文首次证实了二维本征铁磁体cri3和cr2ge2te6的存在，打破了人们以前的认知束缚，二维铁磁性可以用伊辛模型(ising model)来描述，该模型中包含了可以用来描述单个原子磁矩的参数，其值只能为+1或-1，分别代表自旋向上或向下，这些磁矩通常会按照某种规则排列，形成晶格，并且在模型中会引入特定交互作用的参数，使得相邻的自旋互相影响，虽然该模型相对于物理现实是一个相当简化的模型，但它却和铁磁性物质一样会产生相变。

4、可伊辛模型认为二维方晶格是已知最简单的会产生相变的物理系统，不存在一维铁磁体，这成为了人们的认知束缚。

技术实现思路

1、有鉴于此，本技术提供了一维铁磁体的构建方法及一维铁磁体和应用，用于现有技术中人们认为无法构建一维铁磁体的技术问题。

2、本技术第一方面提供了一种一维铁磁体，包括与二维石墨烯边缘碳和二维石墨烯边缘碳键合的非铁磁性金属原子。

3、优选的，所述非铁磁性金属原子为钼原子、铜原子、铝原子、镁原子或锌原子。

4、优选的，与所述非铁磁性金属原子键合的二维石墨烯为单层石墨烯、双层石墨烯或双层以上的二维石墨烯。

5、需要说明的是，本技术优选使用单层石墨烯，使其边缘碳与非铁磁性金属原子键合，但双层石墨烯或双层以上的二维石墨烯，如双层以上的少层石墨烯的边缘碳与非铁磁性金属原子键合后形成的一维结构，具有铁磁性，因此，双层石墨烯或双层以上的二维石墨烯都属于本技术可使用石墨烯。

6、优选的，所述石墨烯覆盖在基底上，非铁磁性金属薄膜覆盖部分所述石墨烯表面，所述非铁磁性金属薄膜覆盖的所述石墨烯至少被部分破坏。

7、优选的，所述石墨烯为单层石墨烯，所述非铁磁性金属薄膜覆盖的所述石墨烯的拉曼光谱中的特征峰g峰和2d峰消失。

8、本技术第二方面提供了一维铁磁体的构建方法，包括步骤：

9、步骤s1、在石墨烯表面部分区域形成掩蔽层；

10、步骤s2、用非铁磁性金属原子流轰击破坏所述掩蔽层外的石墨烯表面；

11、在所述石墨烯表面形成非铁磁性金属薄膜。

12、需要说明的是，通过如光刻蚀或其他手段在石墨烯表面形成掩蔽层后，非铁磁性金属原子流轰击过程中，掩蔽层下的石墨烯得到保护，轰击后非铁磁性金属原子形成金属薄膜沉积在掩蔽层上，而掩蔽层外的石墨烯没有得到保护，被轰击破坏形成石墨烯边缘缺陷，使得非铁磁性金属原子与石墨烯边缘碳键合生成一维铁磁体。

13、优选的，所述方法还包括：去除所述掩蔽层。

14、需要说明的是，在石墨烯表面形成非铁磁性金属薄膜后，还需要去除所述掩蔽层，使得掩蔽层位置上的非铁磁性金属薄膜也随之被去除，保留了非掩蔽层位置对应的非铁磁性金属薄膜。

15、优选的，所述基底选自硅或二氧化硅。

16、优选的，步骤s2具体包括：用磁控溅射产生的高能量非铁磁性金属原子流轰击破坏所述掩蔽层外的石墨烯表面；

17、所述磁控溅射的功率不低于150w。

18、需要说明的是，常规石墨烯金属器件的制备方法中，一般采用热蒸镀技术、电子束蒸发技术以及低功率的磁控溅射技术，这是由于热蒸镀技术、电子束蒸发技术以及低功率的磁控溅射产生的能量较低，不会破坏石墨烯表面结构，可在石墨烯表面沉积金属薄膜，制备得到石墨烯金属器件；而本专利反常规的采用功率不低于150w的磁控溅射产生的非铁磁性金属原子流破坏非掩蔽层的位置的石墨烯结构，形成在石墨烯边缘缺陷，构建了一维铁磁体。

19、优选的，所述磁控溅射的功率为150w～200w。

20、优选的，所述磁控溅射的靶材为钼、铜、铝、镁或锌。

21、优选的，所述磁控溅射的靶材为钼。

22、优选的，步骤s1具体包括：

23、步骤s11、在石墨烯表面旋涂光刻胶；

24、步骤s12、进行光刻或电子束刻蚀，在所述石墨烯表面形成掩蔽层。

25、需要说明的是，通过光刻蚀电子束光刻蚀等工艺，可以去除石墨烯表面部分位置的光刻胶，并将另一部分的光刻胶固化，在石墨烯表面形成特定图形的掩蔽层，特定图形的掩蔽层可以为霍尔器件图形或其他图形，同时，特定图形的掩蔽层位置没有固定限制，可以位于石墨烯边缘，也可以位于石墨烯中间或其他位置，可以实现一维铁磁体位置的可控。

26、优选的，所述步骤s11具体包括：在石墨烯表面旋涂加热两层光刻胶。

27、优选的，所述在石墨烯表面旋涂两层光刻胶具体包括：

28、步骤s111、在所述石墨烯表面旋涂第一层聚甲基丙烯酸甲酯光刻胶，进行第一加热；

29、步骤s112、第一加热后，再旋涂第二层聚甲基丙烯酸甲酯光刻胶，进行第二加热。

30、优选的，步骤s111中，所述旋涂转速为4000r/min，时间为60s，第一加热的时间为0.5～1.5min；温度为115℃；

31、步骤s112中，所述旋涂转速为2000r/min，时间为60s，所述第一加热的时间为2～4min；温度为115℃。

32、需要说明的是，通过光刻蚀在石墨烯表面形成掩蔽层，并在掩蔽层表面沉积非铁磁性金属薄膜后，还可以将表面沉积非铁磁性金属薄膜的石墨烯浸没在甲酮溶液中，去除甲基丙烯酸甲酯光刻胶，剥离掩蔽层位置的非铁磁性金属薄膜。

33、需要说明的是，甲酮溶液可溶解甲基丙烯酸甲酯光刻胶，从而使得非铁磁性金属薄膜失去附着力，导致非铁磁性金属薄膜从石墨烯表面剥离。

34、优选的，所述甲酮溶液的温度为60℃～80℃。

35、需要说明的是，一定温度的甲酮溶液可加快甲基丙烯酸甲酯光刻胶的溶解速度，有利于提高剥离非铁磁性金属薄膜的速度。

36、优选的，所述步骤s1之前，还包括步骤：

37、步骤s0、依次采用丙酮超声清洗，异丙酮超声清洗，等离子体机清洗基底。

38、需要说明的是，依次采用丙酮超声清洗，异丙酮超声清洗，等离子体机清洗硅或二氧化硅等基底可以去除基底表面的杂质，有利于石墨烯转移稳定附着在基底上。

39、本技术第三方面提供了一维铁磁体在制备自旋器件中的应用。

40、需要说明的是，本技术提供的一维铁磁体可实现自旋流的注入，得到自旋器件。

41、综上所述，本技术提供了一维铁磁体的构建方法及一维铁磁体和应用，其中，构建方法包括先在石墨烯表面设置掩蔽层，然后用高能量非铁磁性金属原子流轰击石墨烯表面，掩蔽层位置的石墨烯结构得到保护，非掩蔽层的位置的石墨烯结构被破坏形成缺陷，由于非铁磁性金属原子倾向于在石墨烯的边缘碳结合，使得非铁磁性金属原子与石墨烯边缘的碳键合生成了一维结构材料，即非铁磁性金属原子流轰击破坏石墨烯后可在石墨烯边缘反应生成了一维结构材料，该一维结构材料能够自发磁化，具有反常霍尔效应，说明与石墨烯的边缘碳键合的非铁磁性金属原子构建成了一维铁磁体，从而解决现有技术中人们认为无法构建一维铁磁体的技术问题。