室温铁磁性半导体找到新获得途径

如何获得室温铁磁性半导体，是量子计算、高频器件、高密度信息存储的一个重要环节。国际权威期刊《Nano Today》近日刊文显示，郑州大学许群教授课题组利用CO2在非范德华力晶体孔道内构建强内应力场，成功制备出具有室温响应的二维铁磁性VO2。

许群介绍，面对更先进的信息技术需求，在更高集成度、更高快速响应、更低功耗等方面对电子器件有更高的要求。二维铁磁材料由于其少层原子层厚度和可控的电子自旋，已成为下一代自旋电子器件的研究热点。

他说，现有非磁性二维材料中诱导磁矩是通过调节应变、边缘结构或缺陷工程来引入电荷载流子，这些都集中在外部诱导磁响应上，如何突破传统制备模式并深刻理解二维铁磁材料的本征特性极具重要意义。

过渡金属氧化物VO2表现出许多新的物理现象，如金属-绝缘体转变和室温铁磁性。在强相关过渡金属氧化物（TMOs）材料中，d层和f层电子其自由度（自旋、电荷和轨道矩）的相互作用使得结构和磁性对温度、压力和组分等参数的微小变化非常敏感，然而多数情况，来自外部诱导的局部磁矩非常弱，并且产生的磁性通常只关联表面少数原子。因此相较于缺陷工程，如何打破序参量的对称性，在材料中创造新的表面或诱导晶体到无定形的转变，进而产生本征磁各向异性，是一个有效的路径。

许群教授课题组提出一种CO2诱导相变工程策略，将非范德华体相VO2成功转化为室温响应的2D铁磁体。引入的CO2不仅可以引发材料表界面相变，还可以在VO2的晶格孔道中产生强大的内力场，由此导致的共价键选择性断裂，将三维VO2晶体转化为二维纳米片，最终获得“锁定”的亚稳相的2D拓扑结构并表现出显著增强的室温铁磁响应。该研究工作为二维非范德华铁磁体的制备开辟了一条新途径，同时对CO2在晶体孔道中产生的内应力及其关联亚稳相产生的机理进行了探讨，为进一步拓展超临界CO2在构筑新型纳微结构上的应用奠定了实验和理论基础。该工作得到了国家自然科学基金、郑州大学一流学科计划等项目的支持。

编辑/范辉

像电子这样的带电粒子在电场和磁场的影响下运动时，可以表现出相互影响的方式。例如，当磁场垂直于载流导体的平面施加时，内部流动的电子由于磁力而开始偏离侧面，很快，导体上出现了电压差。这种现象被称为"霍尔效应"。 然而，霍尔效应并不一定需要摆弄磁铁。事实上，它可以在具有长程磁秩序的磁性材料中直接观察到，如铁磁体。

科学家将这种现象命名为"反常霍尔效应"（AHE），它似乎是霍尔效应的一个近亲。然而，它的机制要更复杂一些。目前，最被接受的一种说法是，AHE是由电子能带的一种被称为"贝里曲率"的特性产生的，它是由电子的自旋和它在材料内部的运动之间的相互作用产生的，更常见的是"自旋-轨道相互作用"。

磁性排序对AHE来说是必要的吗？最近的一个理论表明并非如此。"理论上已经提出，即使在磁秩序消失的温度以上，也有可能出现大的AHE，特别是在具有低电荷载流子密度、电子间强交换作用和有限自旋手性的磁性半导体中，这与自旋方向相对于运动方向有关，"东京工业大学（Tokyo Tech）的副教授内田博士解释说，他的研究重点是凝聚态物理。

出于好奇，内田博士和他在日本的合作者决定对这一理论进行测试。在《科学进展》上发表的一项新研究中，他们研究了一种新的磁性半导体EuAs的磁特性，该材料只知道有一个奇特的扭曲三角形晶格结构，并观察到23K以下的反铁磁（AFM）行为（相邻的电子自旋排列在相反的方向）。此外，他们观察到，在有外部磁场的情况下，该材料的电阻随温度急剧下降，这种行为被称为"巨大的磁电阻"（CMR）。然而，更有趣的是，CMR甚至在23K以上也被观察到，在那里AFM的秩序消失了。人们很自然地理解，在EuAs中观察到的CMR是由稀释的载流子和局部Eu2+自旋之间的耦合引起的，这种耦合在很大的温度范围内持续存在。

然而，真正夺人眼球的是霍尔电阻率随温度的上升，它在70K的温度下达到顶峰，远远高于AFM排序温度，这表明在没有磁性排序的情况下，大型AHE也是可能的。为了了解是什么导致了这种非常规的AHE，研究小组进行了模型计算，结果显示，这种效应可以归因于三角晶格上的自旋簇对电子的倾斜散射，在这种"跳跃制度"下，电子不流动，而是在原子之间"跳跃"。

这些结果使我们在理解磁性固体内部电子的奇怪行为方面更近了一步。新发现有助于阐明三角晶格磁性半导体，并有可能打开一个新的研究领域，即针对稀释的载流子与非常规的自旋有序性和波动的耦合。

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