最近，物理学院纳米磁性科研组在石墨烯的磁性研究方面取得新进展。由于其弱的自旋轨道耦合和很长的自旋相干长度，使得石墨烯具有在自旋电子学器件中的巨大潜在应用。因此，关于其磁性方面的，不管是对基本的磁学物理还是实际应用，均具有重要意义，也是近年来科学界的热点研究问题。
石墨烯是共价键结合的无机材料，不存在局域自旋。因此，如何在石墨烯中产生局域自旋？局域自旋存在的来源是什么？自旋间如何发生磁耦合的机理是什么？这些问题是近年来研究的热点，也是巨大的挑战。到目前为止，实验上报道的石墨烯的磁性事实上都具有广泛的争议，很难判断其磁性是否为本证。主要问题为：（1）磁矩太低：通常报道的磁矩为0.01 emu/g量级，极其微量的磁性杂质就可以贡献报道的磁矩；（2）铁磁性及高的居里点问题很难被理解：由于低的磁矩意味着自旋间的距离很长，因而自旋间的相互作用微弱，难于存在强的铁磁耦合，所以报道的室温铁磁存在很大的争议。因此，石墨烯到底是否存在局域自旋？如何获得高浓度的局域自旋？这两个根本问题的研究具有重要研究意义。
冯倩博士研究生在汤怒江、都有为老师的指导下，发现：通过氟掺杂高纯度的缺陷型石墨烯（磁性金属的含量仅为15 ppm以下），获得的本证磁矩高达0.83 emu/g，这提供了局域自旋能够存在石墨烯中的强有力的证据。此外，发现高的自旋浓度能够导致自旋间发生磁耦合。如图1（a）所以，通过把高纯度的缺陷型石墨烯进行氟化，能够获得氟化的缺陷型石墨烯，且氟化程度可以进行调节。事实上，没有氟化的缺陷型石墨烯磁化强度仅约为0.1emu/g，氟化却导致磁矩显著增强。研究还发现，所有样品均为纯顺磁性，即使在2 K的温度下也没有观察到任何的磁有序。如图1（b）所以，通过x-T曲线发现，和其它样品一样，最高磁矩的样品也为居里型顺磁，排除了磁矩来源于没有局域磁矩的泡利顺磁，这有力地证明：氟化的石墨烯中存在局域磁矩。
此外，对样品的初始磁化曲线进行布里渊函数拟合后发现，原始样品和低磁矩的氟化样品，均很好的符合g因子g=2和总量子数J=1/2，说明：样品总的磁化强度来源于单个电子的自旋磁矩的总和，任意两个自旋之间均没有发生磁耦合。有趣的是，对于最高的磁化强度样品的初始磁化曲线进行顺磁性布里渊函数拟合后发现，磁化曲线很好地符合g=2,J=1。这说明：两个自旋之间发生了磁耦合，也表明高的自旋浓度有利于其发生磁耦合。
该工作提供了一个石墨烯中能够存在局域自旋的强有力的证据，并提供了一个提高局域自旋浓度的有效方法。此外，对于铁磁性石墨烯的探索提供了一个建议，即：通过提高自旋浓度，有利于自旋间发生磁耦合，这有利于获得铁磁有序的石墨烯。相关工作发表在ACS Nano 7, 6729 (2013)和Appl. Phys. Lett. 102, 013111 (2013)上。（汤怒江）
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