半导体，是指导电性能介于金属和绝缘体之间的一种材料，可通过光照、外加电场等手段来调控其性质。它是所有电子设备的核心，也是现代信息技术的基石，深刻影响着人类生活。

然而，随着晶体管的不断微缩，传统的硅基电子器件已经接近其工艺尺寸和性能的物理极限，制约着集成电路的进一步发展。

近年来，二维半导体材料凭借超薄的厚度和优异的电子特性，成为学界广泛关注的前沿热点，被认为是“后摩尔时代”高密度集成电路的重要候选对象，有望推动芯片向更小尺度、更高性能和更多功能发展。

具有磁性的半导体，被称为磁性半导体。它能同时控制半导体中电子的电荷和自旋，可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。因此，其有望替代传统微电子技术。对于磁性半导体的研究，也将成为下一代信息技术发展的重要方向。

Science 杂志在创刊 125 周年之际，公布了 125 个重要的前沿科学问题，其中一项就是“是否可能制造出室温下的磁性半导体？”

二维的长程磁有序，一度被认为是不可能实现的。依据传统的各向同性海森堡模型，任何有限温度所产生的热涨落，都会让低维体系中的长程磁有序性遭到破坏，这便是所谓的 Mermin-Wagner 定理。

然而，最近有研究表明，碘化铬（CrI3）、铬锗碲（Cr₂Ge₂Te₆）等本征二维磁体的长程磁有序，在单层极限下仍能保持。

科学家们也从理论上证实：对于二维晶体中存在的热扰动，磁各向异性能起到抑制作用；而对于自旋在特定方向的排布，磁各向异性则可起到稳定的作用。这些理论的发现，为研究磁学基础物理、磁性异质结、自旋电子器件开辟了新方向。

但是，目前报道的二维磁性半导体的种类十分有限，而且磁转变温度往往小于 100K，这远低于室温，环境稳定性也比较差。

这让二维磁性半导体在自旋电子器件中的应用遭到限制。因此，探索具有本征室温铁磁性的二维半导体材料、及其简单可控的合成方法，具有重要意义。

近日，武汉大学物理科学与技术学院何军教授和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，实现了高质量二维铁氧体单晶的制备，厚度最薄可至单个晶胞。

在性能上，二维铁氧体单晶不仅具有出色的环境稳定性，居里温度也远高于室温，并具有厚度依赖的半导体特性和磁特性。

何军表示，对于原子级超薄半导体在室温硬磁和磁存储领域的应用，该研究首次予以证实。不仅为在二维尺度理解和调控室温磁相关性质提供了理想平台，更为电子器件的继续小型化开辟了一条新途径。

近日，相关论文以《用于室温二维磁性半导体的超薄铁氧体纳米片》（Ultrathin ferrite nanosheets for room-temperature two-dimensional magnetic semiconductors）为题发表在 Nature Communications 上，程瑞清博士和尹蕾博士为共同一作，何军担任通讯作者 [1]。

其中一位审稿人说道：“论文展示了一种全新的二维材料体系，它们在室温以上表现出明显的铁磁行为，（并）具有长期的环境稳定性，相比目前报道的二维铁磁体处于领先的地位，（同时该研究也）开启了关于二维材料新家族的讨论。”

为何具备本征室温磁性的二维半导体如此重要？

据介绍，目前人们对二维材料的研究，主要集中在二维层状材料。其具有较强的层内化学键、以及较弱的层间范德华力，通过剥离或化学沉积等方法，可以轻易制备出来这类材料。

但是，自然界中存在大量非层状结构的材料，它们在二维极限下的结构，往往具有更加复杂的表面电子结构、以及更加丰富的物理化学特性。如将这些材料进行二维化，将极大地丰富二维材料的研究体系、并拓展其应用前景。

不同于传统的外延技术，例如分子束外延。使用范德华外延技术时，人们无需考虑外延材料与生长衬底间严格的晶格匹配。

具体来说，一方面通过范德华力，无悬挂键生长衬底与吸附原子可以相互作用，使其在衬底表面相对自由地迁徙，从而促进材料的侧向生长，并有效地减少界面缺陷态。

另一方面所得到的产物，与生长衬底之间的作用力很弱，因而能近似消除衬底对材料的夹持作用，从而获得外延产物的本征物性。

何军团队是国际上较早提出二维材料范德华外延方法学的团队之一。近年来，他们将范德华外延技术，用于非层状电子材料二维化生长，并致力于新原理器件的应用研究。

课题组也很早就开始二维磁性材料的相关工作，主要关注于寻找具有高居里温度、高稳定性、以及适用于大规模制备的二维磁性材料。

基于前期研究，他们进一步通过引入空间限域策略，首次成功实现非层状二维钴铁氧体单胞厚度大面积制备，并对其晶体结构、半导体性质和磁性质展开了系统研究。

利用限域范德华外延技术，该团队还拓展到了其它二维铁氧体的制备，比如锰铁氧体和镍铁氧体。这也意味着，此技术具备一定的通用性。

对于铁氧体来说，凭借自身存在自旋、电荷、轨道等电子的多重自由度与晶格之间的相互关联与耦合，其能产生大量的新奇量子态和物理现象，比如高温超导、庞磁电阻、多铁效应等。

而此次研究的主要内容，在于探索铁氧体在二维极限下的物理性质。基于范德华外延技术，课题组制备出了高质量的二维铁氧体单晶，其表面平整度可与二维层状材料媲美。

二维铁氧体单晶在垂直方向上具有超薄的厚度，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。

但是，这也给器件加工和物性表征带来不小的挑战。“它非常薄，几乎完全透明，在普通的光学显微镜下很难观察它，所以经常要借助原子力显微镜来寻找样品。”程瑞清说。

其实，当前也有一些关于二维室温稀磁半导体的报道，通过掺杂、缺陷等方式引入局域磁矩，继而得到室温磁性信号。然而，这些方法得到的磁性半导体磁性比较弱，且磁性杂相较多、物性不易控制，难以投入实际应用。

稀磁半导体，是指非磁性半导体中的部分原子，被过渡金属或稀土金属元素取代后形成的磁性半导体。一般来说，磁性元素在半导体中的平衡溶解度比较低、磁性也比较弱，因而叫做稀磁半导体。

此外，掺杂元素很容易在半导体中形成团簇，有时观察到的室温磁性信号实际上是由这些磁性团簇引起的假象。因此，制备出具有本征室温磁性的二维半导体材料至关重要。

首次揭示二维铁氧体单晶磁畴演变的规律

研究中，该团队通过振动样品磁强计、磁力显微镜和磁光克尔显微镜等多种表征手段，为室温下二维自发磁化、以及二维长程磁有序的存在，提供了明确的证据。

另外，二维本征磁性半导体的居里温度也得到大幅提高，并首次揭示了二维铁氧体单晶磁畴演变的规律。

磁畴，是指在自发磁化的过程中，铁磁体、或亚铁磁体为降低静磁能，而产生分化的方向各异的小型磁化区域。畴壁，是磁畴和磁畴之间的过渡区，它可以解释磁性材料的磁化机理和宏观性质。

实验发现，对于二维铁氧体来说，当其厚度大于 15 纳米时，磁畴信号表现出多畴的结构，并且与晶体结构的对称性密切相关。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。

随着厚度逐渐降低，静磁能减少，无法再弥补畴壁能量的增加。因此，二维铁氧体磁结构开始向单畴状态转变。

此外，作为一种氧化物材料，二维铁氧体在空气中具有优异的环境稳定性，即便暴露在环境条件下一个多月，磁性质也没有明显变化，故具备实际应用前景。

对于新材料、新工艺的出现，业内纷纷翘首以盼。在 2015 年的技术路线图中，国际半导体联盟明确指出，具有超薄厚度的二维材料，是下一代半导体器件的关键材料。

而二维室温磁性半导体无疑是其中最令人期待的一个。但要将其继续推进、应用于商业规模化生产还面临不少挑战，如何提高材料产量并实现磁、光、电等多属性耦合是下一步要解决的重要问题。

而接下来，该团队也将继续开展二维铁氧体单晶在自旋依赖物性表征、自旋动力学过程、自旋电子器件及电路设计等方面的研究，以助力于该类材料更早应用于传感、信息处理与信息存储等领域。

参考资料：

1. R. Cheng, L. Yin, Y. Wen, B. Zhai, Y. Guo, Z. Zhang, W. Liao, W. Xiong, H. Wang, S. Yuan, J. Jiang, C. Liu and J. He, Ultrathin ferrite nanosheets for room-temperature two-dimensional magnetic semiconductors, Nature Communications13, 5241 (2022).https://www.nature.com/articles/s41467-022-33017-1