石墨烯自诞生起，因为各种优异的理化性质成了材料领域的大明星。然而该种材料也有一些缺点，比如缺乏对于电子材料来说十分重要的性质——磁性。为了引入磁性，研究者提出了各种方法，例如可以负载磁性物质形成复合材料，也有学者提出具有不规则锯齿形边的石墨烯、具有缺陷的石墨烯以及通过sp3功能化的石墨烯都具有磁性（点击阅读相关，报道一、报道二）。氮（N）掺杂石墨烯，作为改变这种碳材料电子结构以及改善其电学、力学、化学、光学等性质的一种有效手段，一直备受人们关注。然而，N对石墨烯磁性质的影响，主要集中在理论计算上，尚未被实验证明。

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近日，捷克科学家Michal Otyepka、Radek Zbořil等人在JACS 杂志发表文章，研究了不同类型的掺杂N原子对磁性的影响。结果表明，磁效应主要是由石墨N引起，而吡啶N和化学吸附的N对铁磁性的贡献很小。

图片来源：JACS

先来解释一下N-掺杂石墨烯中存在的不同化学形态的N原子。如图，通常认为，N-掺杂石墨烯中存在三种键合类型：吡啶N、吡咯N、石墨N。其中吡啶N被认为是最具催化活性的位点。

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由于这三种N原子以及吸附的N具有不同的结合能，因此可以通过XPS-N谱来检测区分。

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实验表明，当掺杂N的含量增加时，石墨N被牢固地嵌入石墨晶格中，引起顺磁中心的数量增加。掺杂N含量低于5%时，石墨烯无磁性；而一旦高于5%这一阈值后，N掺杂引起的顺磁中心开始磁相互作用，铁磁性在低温（≤69 K）下有序建立起来。测试显示，掺杂N含量为5.1%的石墨烯饱和磁化强度（69K）可以达到1.09 emu/g，这是迄今报道的磁化强度最大的掺杂石墨烯。

磁性测试。图片来源：JACS

DFT计算表明石墨N对掺杂石墨烯的磁性做出了最主要的贡献，而吡啶N和化学吸附的N对此影响较低。

DFT计算结果。图片来源：JACS

这一发现为进一步优化N-掺杂石墨烯指出了方向，也为石墨烯在自旋电子材料和磁光学材料中的广泛应用打下了坚实基础。

小希注：

N-掺杂石墨烯研究了这么久，已发表的文章可以车载斗量。还想发JACS 这类高端杂志，关键是要选择一个好的入手点呀。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Doping with Graphitic Nitrogen Triggers Ferromagnetism in Graphene

J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 3171-3180, DOI: 10.1021/jacs.6b12934

（本文由小希供稿）