北理工团队发表关于二维铁磁半导体的前沿综述文章

日期： 2024-10-18

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来源：北京理工大学

近日，北京理工大学物理学院周家东教授、刘瑞斌教授、郑守君副教授和黄翔葳老师在化学化工领域顶级期刊《Chemical Society Reviews》（IF=""40.4）上发表题为“Emerging"" Two-Dimensional Ferromagnetic Semiconductors”的前沿综述文章。

二维铁磁半导体兼具本征铁磁性和半导体特性，因此能够在原子尺度上精确操纵电荷、自旋及其相互作用。这些特征使其成为探索下一代高速、非易失性存储器件的理想选择。先前关于铁磁半导体的报道主要集中于浓磁半导体和稀磁半导体。然而，这类三维铁磁半导体的应用受到了诸多挑战，如浓磁半导体较低的居里温度（T c ）、与传统硅的兼容性差，以及稀磁半导体中不可控的磁缺陷和磁性金属离子的有限溶解度。尽管二维金属性铁磁体在减小硬盘尺寸和降低能耗方面展现出巨大潜力，但仅依靠半导体的电荷操纵和磁性材料的自旋操纵已经不足以满足现代电子产品对持续小型化、低能耗和高性能器件的需求。二维铁磁半导体因其独特的层状结构为磁性的设计和调节方面提供了新的自由度。近期，在双层Ce2Ge2Te6（30 K）和单层CrI3（45 K）中均证明了本征铁磁性的存在。这些发现促使科学家们去寻找更多具有高居里温度的二维铁磁半导体以推动其在自旋电子学中的应用。然而，这些二维铁磁半导体的不稳定性、复杂的相态和复杂的反应过程使得可控合成仍然是一个重大挑战。因此，亟需深入阐述详细的化学反应和相关的生长机制，并开发一种通用且有效的二维铁磁半导体生长方法，从而为其性质及潜在应用的探索奠定基础。

在这篇综述中，作者总结了二维铁磁半导体的最新进展。首先，简要介绍了涵盖过渡金属卤化物、过渡金属硫族化合物、过渡金属硫卤化合物和过渡金属磷硫化合物在内的新兴的二维铁磁半导体的原子结构和性质。其次，呈现了二维铁磁半导体的奇异物理性质如磁各向异性、巨磁阻、量子反常霍尔效应、skyrmion演化以及多铁性和磁电性的最新进展。同时，针对性地总结了二维铁磁半导体的生长方法，如分子束外延、化学气相沉积、机械剥离和熔剂辅助生长等技术。然后，重点阐述了相关的生长机制，包括基于竞争反应的动力学生长机制、氧气抑制机制、种子工程机制和熔融结晶机制。同时，概括了二维铁磁半导体中有效的磁性调方法，包括应变、界面、电场、光、磁场、插层和层间耦合，这些方法对于磁隧道结和自旋场效应晶体管等器件应用至关重要。最后，讨论了二维铁磁半导体的所面临的挑战、机遇和潜力，深入探讨了它们未来的发展趋势和器件应用前景。

北京理工大学为该工作的第一完成单位。北京理工大学物理学院的周家东教授、刘瑞斌教授、郑守君副教授以及黄翔葳老师为本论文的共同通讯作者，博士生孔德男为论文的第一作者。该工作得到科技部重点研发计划和国家自然科学基金等项目的支持。

文章链接：DOI: https://doi.org/10.1039/D4CS00378K

文章信息（*为通讯作者）：Denan Kong, Chunli Zhu, Chunyu Zhao, Jijian Liu, Ping Wang, Xiangwei Huang,* Shoujun Zheng,* Dezhi Zheng, Ruibin Liu* and Jiadong Zhou*，“Emerging two-dimensional ferromagnetic semiconductors”， Chem. Soc. Rev ., 2024.

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