北理工團隊發(fā)表關于二維鐵磁半導體的前沿綜述文章
發(fā)布日期：2024-10-17 供稿：物理學院 攝影：物理學院
編輯：王莉蓉 審核：陳珂 閱讀次數(shù)：
近日，北京理工大學物理學院周家東教授、劉瑞斌教授、鄭守君副教授和黃翔葳老師在化學化工領域頂級期刊《Chemical Society Reviews》（IF=""40.4）上發(fā)表題為“Emerging"" Two-Dimensional Ferromagnetic Semiconductors”的前沿綜述文章。
二維鐵磁半導體兼具本征鐵磁性和半導體特性，因此能夠在原子尺度上精確操縱電荷、自旋及其相互作用。這些特征使其成為探索下一代高速、非易失性存儲器件的理想選擇。先前關于鐵磁半導體的報道主要集中于濃磁半導體和稀磁半導體。然而，這類三維鐵磁半導體的應用受到了諸多挑戰(zhàn)，如濃磁半導體較低的居里溫度（T c ）、與傳統(tǒng)硅的兼容性差，以及稀磁半導體中不可控的磁缺陷和磁性金屬離子的有限溶解度。盡管二維金屬性鐵磁體在減小硬盤尺寸和降低能耗方面展現(xiàn)出巨大潛力，但僅依靠半導體的電荷操縱和磁性材料的自旋操縱已經(jīng)不足以滿足現(xiàn)代電子產(chǎn)品對持續(xù)小型化、低能耗和高性能器件的需求。二維鐵磁半導體因其獨特的層狀結構為磁性的設計和調節(jié)方面提供了新的自由度。近期，在雙層Ce2Ge2Te6（30 K）和單層CrI3（45 K）中均證明了本征鐵磁性的存在。這些發(fā)現(xiàn)促使科學家們去尋找更多具有高居里溫度的二維鐵磁半導體以推動其在自旋電子學中的應用。然而，這些二維鐵磁半導體的不穩(wěn)定性、復雜的相態(tài)和復雜的反應過程使得可控合成仍然是一個重大挑戰(zhàn)。因此，亟需深入闡述詳細的化學反應和相關的生長機制，并開發(fā)一種通用且有效的二維鐵磁半導體生長方法，從而為其性質及潛在應用的探索奠定基礎。
在這篇綜述中，作者總結了二維鐵磁半導體的最新進展。首先，簡要介紹了涵蓋過渡金屬鹵化物、過渡金屬硫族化合物、過渡金屬硫鹵化合物和過渡金屬磷硫化合物在內的新興的二維鐵磁半導體的原子結構和性質。其次，呈現(xiàn)了二維鐵磁半導體的奇異物理性質如磁各向異性、巨磁阻、量子反常霍爾效應、skyrmion演化以及多鐵性和磁電性的最新進展。同時，針對性地總結了二維鐵磁半導體的生長方法，如分子束外延、化學氣相沉積、機械剝離和熔劑輔助生長等技術。然后，重點闡述了相關的生長機制，包括基于競爭反應的動力學生長機制、氧氣抑制機制、種子工程機制和熔融結晶機制。同時，概括了二維鐵磁半導體中有效的磁性調方法，包括應變、界面、電場、光、磁場、插層和層間耦合，這些方法對于磁隧道結和自旋場效應晶體管等器件應用至關重要。最后，討論了二維鐵磁半導體的所面臨的挑戰(zhàn)、機遇和潛力，深入探討了它們未來的發(fā)展趨勢和器件應用前景。
北京理工大學為該工作的第一完成單位。北京理工大學物理學院的周家東教授、劉瑞斌教授、鄭守君副教授以及黃翔葳老師為本論文的共同通訊作者，博士生孔德男為論文的第一作者。該工作得到科技部重點研發(fā)計劃和國家自然科學基金等項目的支持。
文章鏈接：DOI: https://doi.org/10.1039/D4CS00378K
文章信息（*為通訊作者）：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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