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近日，北京理工大學(xué)物理學(xué)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(xué)化工領(lǐng)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(dǎo)體兼具本征鐵磁性和半導(dǎo)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(guān)于鐵磁半導(dǎo)體的報道主要集中于濃磁半導(dǎo)體和稀磁半導(dǎo)體。然而，這類三維鐵磁半導(dǎo)體的應(yīng)用受到了諸多挑戰(zhàn)，如濃磁半導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體因其獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)為磁性的設(shè)計(jì)和調(diào)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(xué)家們?nèi)ふ腋嗑哂懈呔永餃囟鹊亩S鐵磁半導(dǎo)體以推動其在自旋電子學(xué)中的應(yīng)用。然而，這些二維鐵磁半導(dǎo)體的不穩(wěn)定性、復(fù)雜的相態(tài)和復(fù)雜的反應(yīng)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(xì)的化學(xué)反應(yīng)和相關(guān)的生長機(jī)制，并開發(fā)一種通用且有效的二維鐵磁半導(dǎo)體生長方法，從而為其性質(zhì)及潛在應(yīng)用的探索奠定基礎(chǔ)。

在這篇綜述中，作者總結(jié)了二維鐵磁半導(dǎo)體的最新進(jìn)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(nèi)的新興的二維鐵磁半導(dǎo)體的原子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。其次，呈現(xiàn)了二維鐵磁半導(dǎo)體的奇異物理性質(zhì)如磁各向異性、巨磁阻、量子反常霍爾效應(yīng)、skyrmion演化以及多鐵性和磁電性的最新進(jìn)展。同時，針對性地總結(jié)了二維鐵磁半導(dǎo)體的生長方法，如分子束外延、化學(xué)氣相沉積、機(jī)械剝離和熔劑輔助生長等技術(shù)。然后，重點(diǎn)闡述了相關(guān)的生長機(jī)制，包括基于競爭反應(yīng)的動力學(xué)生長機(jī)制、氧氣抑制機(jī)制、種子工程機(jī)制和熔融結(jié)晶機(jī)制。同時，概括了二維鐵磁半導(dǎo)體中有效的磁性調(diào)方法，包括應(yīng)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(jié)和自旋場效應(yīng)晶體管等器件應(yīng)用至關(guān)重要。最后，討論了二維鐵磁半導(dǎo)體的所面臨的挑戰(zhàn)、機(jī)遇和潛力，深入探討了它們未來的發(fā)展趨勢和器件應(yīng)用前景。

北京理工大學(xué)為該工作的第一完成單位。北京理工大學(xué)物理學(xué)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(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)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.