武汉大学物理科学与技术学院何军教授团队在室温二维磁性半导体方面取得重要进展。该工作系统地研究了二维铁氧体单晶的半导体性质和磁性质，并首次证实了原子级超薄半导体在室温磁存储领域的应用，为在二维尺度理解和调控磁相关性质提供了理想平台，也为电子器件的继续小型化开辟了一条新途径。相关研究结果以“Ultrathin ferrite nanosheets for room-temperature two-dimensional magnetic semiconductors（用于室温二维磁性半导体的超薄铁氧体纳米片）”为题发表在《自然?通讯》上（Nature Communications 2022, 13, 5241）。

磁性半导体是一种兼具铁磁性和半导体性的材料。它能同时控制半导体中电子的电荷和自旋，将普通半导体器件的信息处理和光通讯的功能与磁性材料的信息存储功能集成在单一芯片上，被认为是下一代低能耗集成电路的关键技术。《科学》杂志在创刊125周年之际，公布了125个重要的科学前沿问题，其中一个就是“是否可能制造出室温下的磁性半导体？”。近年来，碘化铬（CrI3）、铬锗碲（Cr2Ge2Te6）等本征二维磁性半导体的出现开创了半导体研究的新时代，它们的长程磁有序可以保持到单层极限下，从而突破Mermin-Wagner定理的限制，为磁学基础物理、自旋电子器件等研究开辟了新的方向。然而，当前报道的二维磁性半导体的种类十分有限，且大多具有远低于室温的居里温度和较差的环境稳定性，限制了它们在自旋电子器件中的实际应用。因此，探索具有本征室温铁磁性的二维半导体材料及其简便可控的合成方法，对该领域的发展具有重要意义。

图1. 范德华外延二维铁氧体单晶结构及其半导体性质、磁性质表征。(a) 生长过程示意图及样品光学图和STEM图；(b) 不同厚度样品的电阻随温度的变化趋势；(c) 理论计算；(d) 磁学性质测量。

针对上述挑战，何军教授团队开发出一种限域范德华外延技术，借助动力学生长的引入，实现了高质量非层状二维铁氧体单晶的制备。其表面平整度可与层状材料媲美，厚度可至单个晶胞，不仅具有远高于室温的居里温度（＞390 K）和优异的环境稳定性，还表现出厚度依赖的半导体特性和磁特性，实现了矫顽力的大幅度连续调节。垂直方向上的超薄厚度可让其更易于栅压和电场的调制，从而为器件的高密度集成创造了机遇。理论模型表明，表面原子占比的显著增加会使磁矩偏离传统的Néel型反平行排列，进一步增强铁磁相互作用。

当样品厚度大于15纳米时，磁畴信号表现出与晶体结构对称性密切相关的多畴结构。这时，二维铁氧体会被划分为多个平行反向的自发磁化区域。矩形磁滞回线清楚地表明了二维铁氧体单晶的垂直磁各向异性。随着厚度的降低，静磁能的减少无法再弥补畴壁能量的增加，样品磁结构开始向单畴状态转变，且在单胞厚度下依然保持室温下的长程磁有序和面外磁各向异性。本工作同时用磁力显微镜（MFM）和磁光克尔显微镜（MOKE）分别佐证了这一关系，还首次揭示了二维铁氧体单晶中磁畴随磁场演变的规律。

图2. 磁畴、矫顽力等磁性质的厚度依赖性。(a) 不同厚度样品的MFM相图；(b) 不同厚度样品的MOKE信号随磁场变化；(c) 样品矫顽力随厚度的变化趋势；(d)&(e) 不同厚度样品的磁畴随磁场的演变。

程瑞清博士和尹蕾博士为论文第一作者，何军教授担任通讯作者。该论文得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项、湖北省自然科学基金等项目经费的支持。

来源：半导体学报