摘要：它们不仅继承了二维材料的奇特电子结构，还因其高暴露度的边缘而展现出一系列新颖物理现象，如超长自旋相干时间、量子限域效应以及拓扑保护态。

纳米带（Nanoribbons）是凝聚态物理中一种独特的低维材料体系。

它们不仅继承了二维材料的奇特电子结构，还因其高暴露度的边缘而展现出一系列新颖物理现象，如超长自旋相干时间、量子限域效应以及拓扑保护态。

这一材料体系的一个激动人心的前景，在于其可调控的半导体电子结构与纳米带边缘磁性的结合，这一特性对于基于自旋的电子器件（如低功耗非易失性晶体管）至关重要。

在此，来自法国索邦大学、英国华威大学&剑桥大学的Raj Pandya等研究者报道了磷烯纳米带（PNRs）的磁性与半导体特性。相关论文以题为“Magnetically and optically active edges in phosphorene nanoribbons”于2025年03月12日发表在Nature上。

在过去40年里，将不同的磁现象与半导体的电子基态耦合的策略主要集中在向半导体中掺杂特定过渡金属，以形成所谓的稀磁半导体（DMSs）。

近年来，一种新兴的方法是利用二维（2D）材料中独特的自旋排列，一些二维材料已被证明可以表现出半导体磁相。

进一步地，将二维单层材料切割成纳米尺度的窄带（纳米带）为更丰富的磁性自旋排列提供了可能性，尤其是在纳米带边缘的横向和纵向方向上。

其中，基于石墨烯的纳米带（GNRs）是研究最深入的体系，研究表明它们可表现出拓扑工程化能带和多种自旋有序电子态。

然而，实现这些特性通常需要复杂的化学合成，并且GNRs 典型长度较短（通常小于 100 nm），这对其在应用和基础物理研究中的进一步发展构成了挑战。

因此，迫切需要探索可大规模制备、并在室温下表现出本征自旋电子特性的纳米带体系。

在众多候选材料中，磷烯纳米带（PNRs）——即黑磷的纳米带类比物，被独特地提出作为替代方案。

PNRs具备易于制造的优势，可通过自上而下的加工方法制备，并形成微米级长度、高纵横比的纳米带，且其长轴严格沿着黑磷母晶格的锯齿形晶向（图 1a）——这些特性对于纳米带基应用至关重要。

理论研究预测，PNRs 具有明显的带隙和高居里温度的边缘铁磁性，使其成为研究低维材料中电子功能特性与磁性相互作用的极具吸引力的体系。

图1 PNRs的形状、磁性和光学各向异性。

在本文中，研究者对宽度均匀的磷烯纳米带（PNRs） 进行了系统研究，这些纳米带的宽度标准偏差小于 1 nm，且边缘严格沿锯齿状（zigzag）方向排列。

研究在溶液态和基底沉积两种条件下进行，并采用批量制备方法获得 PNRs，样品的平均宽度约15 nm，平均长度约700 nm，其中超过70% 为单层结构。

图 1a 展示了一条典型的单层磷烯纳米带的原子力显微镜（AFM）图像，其测得的高度为0.58 ± 0.14 nm，宽度为8.12 ± 1.08 nm。

此外，研究者利用高速AFM 对纳米带的宽度和高度分布进行了统计分析，并绘制了相应的直方图，进一步量化了PNRs的尺寸均匀性。

实验表明，在室温条件下，PNRs 薄膜表现出由其边缘引发的宏观磁性，其内部磁场约在 240至 850 mT之间。此外，在溶液中，PNRs具有巨大磁各向异性，使其在小于1 T的磁场下即可实现高度取向排列。

进一步地，研究者利用这种磁性排列效应发现，在光激发下，能量会快速汇聚到局域于磁性边缘的特定态，并且该态与对称禁阻的边缘声子模式耦合。

这一发现确立了PNRs作为研究磁性与半导体基态相互作用的独特体系，同时也为低维纳米材料在量子电子学中的应用提供了重要的研究基础。

图2 EPR和FMR局部磁相关性。

图3 光激发偶极子弛豫动力学。

图4 光激发与磁边的耦合。

综上所述，通过SQUID 磁测和连续波电子顺磁共振（cwEPR）研究，证实了 PNRs 薄膜在室温下的宏观磁性，这一磁性源自纳米带的边缘。

此外，在溶液中，巨大的磁各向异性使得PNRs可在 较低磁场 下沿其短轴方向 实现高度取向排列。

如图4c 所示，在光激发后，能量迅速迁移至PNR边缘的某个局域态，该区域可能正是磁性的来源。

这一发现为进一步探索PNRs 的磁学特性（如自旋相干时间、宽度或应变影响、厚度效应等）提供了广阔的研究空间，并为构建单纳米带器件和更广泛的应用（如非线性光学元件、纳米机器人等）奠定了基础。

特别值得关注的是，PNRs边缘的光学活性为纳米级磁-半导体界面 提供了一条极具前景的路径，这在低功耗计算和低维磁性理论的完善 方面具有重要意义。

据悉，该文从第一次投稿到最终接受，历时两年！为科研人的坚持点赞！

参考文献

Ashoka, A., Clancy, A.J., Panjwani, N.A. et al. Magnetically and optically active edges in phosphorene nanoribbons. Nature 639, 348–353 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08563-x
Ashoka， A.， Clancy， AJ， Panjwani， NA 等人。磷烯纳米带中的磁性和光学活性边缘。自然 639， 348–353 （2025）。https://doi.org/10.1038/s41586-024-08563-x

来源：华算科技