InfoMat:磁性二维层状材料与铁磁性半导体的相遇

量子计算、高频器件、高密度信息存储等应用的爆发式增长,将在高集成度、超高速响应、低功耗等方面激发更先进的信息技术需求。面对晶体管和存储单元的持续小型化,电子电荷和自旋之间的相互控制非常令人期待。因此,对二维铁磁半导体及其异质结的研究将是一个重要的方向,有望结合半导体和铁磁材料的互补功能,允许电子电荷和自旋的耦合和独立控制。东南大学王金兰教授团队在InfoMat上发表了题为“Magnetic two‐dimensional layered crystals meet with ferromagnetic semiconductors”的综述论文。文章总结了近年来二维本征铁磁半导体在理论方面的研究进展,并重点讨论了目前增强铁磁性的策略,包括磁交换相互作用机制和磁各向异性能的意义。同时,也对超薄铁磁半导体及其范德瓦尔斯异质结在磁电、谷电子和量子反常霍尔效应等与自旋相关的多功能性能进行了介绍,并对该领域目前存在的挑战和发展前景进行了展望。

二维铁磁半导体在过去几年里得到了广泛的关注并取得了巨大的进展。各种具有不同晶体结构和独特性能的本征二维铁磁半导体得到了广泛的研究。文章首先介绍了二维本征铁磁半导体的种类和磁性特性。文中首先对二维铁磁半导体的结构特征和物理特性进行了总结。由于大部分单层或多层铁磁半导体的居里温度远低于室温,而铁磁交换相互作用和磁各向异性能是低维磁性的两个关键因素。前者与居里温度直接相关,后者对防止自旋热扰动起着至关重要的作用。因此,作者接着介绍了利用应变、载流子掺杂、吸附、空位和构建合金化合物等策略来增强铁磁性。其次,文中讨论了基于二维铁磁半导体及其异质结独特磁性和电子性质的多功能特性,包括磁电耦合,自旋-谷耦合和量子反常霍尔效应,这对于铁磁半导体在未来自旋电子学的应用中是必不可少的。

二维层状铁磁半导体的研究虽然取得了很大的进展,但仍处于初级阶段。最后,文章认为在新型层状铁磁半导体材料的搜索方法(如结合机器学习),磁交换机制和计算模拟方法,以及增强铁磁性和多功能异质结设计等方面需要更多关注,为相关领域学者的工作提供一定的参考。作者预期二维铁磁半导体将会有更多的创造性发展,值得关注与期待。

该工作发表在InfoMat(DOI: 10.1002/inf2.12096)上。

个人或团队简介:

王金兰教授现任职于东南大学物理学院,博士生导师,国家杰出青年基金获得者(2015)、江苏省“333高层次人才支持计划”第二层次获得者(2016)、国务院特殊津贴获得者(2018)。主持多项国家自然科学基金与国家重点研发计划,长期从事低维功能材料的理论研究工作,在二维材料、新能源材料等方面取得了一系列重要成果。发表SCI论文180余篇,影响因子10以上论文50余篇,受邀撰写英文综述5篇。引用超过8000次,H-index 45,多年连续入选“Elsevier中国高被引学者名单(2014-2019)”。