「ネイチャーマテリアルズ」- CIQTEK SNVMがグラフェンスピンデバイスにおける重要なブレークスルーの達成で顧客を支援

August 21, 2025

最近、中国科学院上海マイクロシステム情報技術研究所の王浩民率いる研究チームは、ジグザググラフェンナノリボン（zGNR）の磁性を、 CIQTEK 走査型窒素空孔顕微鏡 （SNVM） 。

研究チームはこれまでの研究を基に、六方晶窒化ホウ素（hBN）に金属粒子をあらかじめエッチングして配向した原子溝を形成し、気相触媒化学蒸着（CVD）法を用いて溝内にキラルグラフェンナノリボンを制御的に作製し、hBN格子に埋め込まれた約9nm幅のzGNRサンプルを得た。SNVMと磁気伝導測定を組み合わせることで、研究チームは実験においてその固有磁性を直接確認した。この画期的な発見は、グラフェンベースのスピンエレクトロニクスデバイス開発の確固たる基盤を築くものである。「六方晶窒化ホウ素格子に埋め込まれたジグザググラフェンナノリボンの磁性の兆候」と題された関連研究成果は、権威ある学術誌に掲載されている。 「自然素材」。

グラフェンは、ユニークな二次元材料として、従来の磁性材料におけるd/f軌道電子の局在磁気特性とは根本的に異なるp軌道電子の磁気特性を示し、純粋炭素系磁性の探究に向けた新たな研究方向を切り開きます。ジグザググラフェンナノリボン（zGNR）は、フェルミ準位付近に特異な磁気電子状態を有する可能性があり、スピンエレクトロニクスデバイスの分野で大きな可能性を秘めていると考えられています。しかし、zGNRの磁性を電気輸送法で検出するには、多くの課題があります。例えば、下から組み立てたナノリボンは、デバイスを安定的に製造するには長さが短すぎることがよくあります。さらに、zGNRエッジの化学反応性が高いため、不安定性やドーピングの不均一性が生じる可能性があります。さらに、より細いzGNRでは、エッジ状態の強い反強磁性結合により、磁気信号を電気的に検出することが困難になる場合があります。これらの要因が、zGNRの磁性を直接検出することを妨げています。

hBN格子に埋め込まれたZGNRは、高いエッジ安定性と固有の電場特性を示し、zGNRの磁性を検出するのに理想的な条件を作り出します。この研究では、研究チームは CIQTEK 室温SNVM zGNR の磁気信号を室温で直接観察します。

図1: 六方晶窒化ホウ素格子に埋め込まれたzGNRの磁気測定 走査窒素空孔顕微鏡

作製した約9ナノメートル幅のzGNRトランジスタは、電気伝導測定において高い導電性と弾道伝導特性を示した。磁場の影響下では、デバイスは顕著な異方性磁気抵抗を示し、4Kで約175Ωの磁気抵抗変化（磁気抵抗比は約1.3%）を示し、この信号は350Kという高温でも持続した。ヒステリシスはzGNRの平面に垂直な磁場下でのみ観測され、その磁気異方性を確認した。傾斜角による磁気抵抗の変化を解析した結果、研究者らは磁気モーメントがサンプル表面に垂直であることを発見した。さらに、ソース・ドレイン間バイアスと温度の上昇に伴う磁気抵抗の減少は、磁気応答と電荷輸送および熱振動との相互作用を明らかにした。

図2: hBNに埋め込まれた9ナノメートル幅のzGNRデバイスの磁気輸送特性

この研究は、 走査型窒素空孔顕微鏡 グラフェン技術と輸送測定を駆使した研究により、hBN埋め込みzGNRにおける固有磁性の存在が初めて直接確認され、電界による磁性制御の可能性が示されました。この研究は、グラフェンの磁気特性に関する理解を深めるだけでなく、グラフェンを用いたスピンエレクトロニクスデバイス開発への新たな道筋を切り開きます。

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SNVMはダイヤモンド窒素空孔（NV）光検出磁気共鳴（ODMR）技術と原子間力顕微鏡（AFM）走査イメージング技術を組み合わせた高精度測定装置です。高い空間分解能、高感度磁気イメージング、多様な検出能力、そして非侵襲検出の利点を特徴としており、磁区特性評価、反強磁性イメージング、超伝導特性評価、2次元磁性材料の研究といった分野で重要な役割を果たします。