摘要
磁性材料作为一种能够用来存储和转移信息的材料，在信息技术得到普及的现在受到了广泛的关注，随着信息技术的爆发式发展，需要集成度更高，响应更快，耗能更低的磁性材料。只有一个原子层厚度的二维磁性半导体材料的出现，既满足了人们对器件集成化、小型化要求，同时又具备易操作性，是一种理想的作为信息处理的载体。
关键词 磁性材料 铁磁性半导体
磁性材料被广泛运用在信息的存储和操作，发展出一系列基于隧道磁电阻和磁性隧道接合器件的传感器和存储单元。信息技术的高速发展刺激了磁性材料的研究，促使人们研究出更薄的磁性材料以提高电路的集成度，加快响应和提高磁性材料对环境温度等外界因素的抗干扰能力。石墨烯的横空出世，为我们打开了新的研究篇章，二维范德瓦尔斯材料是一种只有一个原子层厚度的新奇材料，具有载流子迁移率高，机械强度高和导热性好等优点，引发了人们的关注。可以预想到，磁性材料不断加工处理变薄的工艺要求，必然会需要类似石墨烯这样只有一个原子层厚度的材料，这将会对信息产业带来革命性的创新。
关于铁磁材料的研究，已经有所进展。长程铁磁有序性在二维极限最近已经在Cr2Ge2Te6双分子层（30K）[1]，单分子层CrI3（45K）[2]， CrBr3（34K）[3]和CrCl3（17K）[4,10]被实验证实，他们都是特磁性半导体但是具有不同的磁性优点[5-6]。在超薄小片控制磁性也被深入探索，通过外加磁场，电场和静电掺杂，可以实现对二维磁性材料的有效调制，例如。超薄CrI3绝缘材料做的非传统的磁性隧道接面负磁电阻已经达到超过10000%，双极可调磁化的Cr2Ge2Te6基场效应晶体管已经通过静电选通法实现。[7,8,9]
第一类最多研究的二元二维铁磁半导体是过渡金属三卤化物单分子层（TMX3，X=F，Cl，Br和I）由D3d点群中具有本征腔的X-TM-X夹层组成。TM原子形成一个六边形网，和六个相邻的X原子结合。[11,12]过渡金属二氯化铝和过渡金属二卤化物是另外两类被研究的二元铁磁性半导体，其中X代表硫族元素或卤族元素，TMX2一个可能的结构是所谓的1T结构（C3v对称）。[13] 一个被研究的多的二维三元铁磁性半导体系统是过渡金属的三硫化物 TMAX3，其中A代表的是硫族元素，TMAX3单分子层的结构是D3d对称的X-（A-TM-A）-X分子夹层，其中每个TM原子连接六个X原子形成一个轻微扭曲的八面体。[14]过渡金属卤化物TMAX也是一个广泛研究的三元铁磁材料，其中TM是3d金属，A是准金属元素（例如氮和硫族），X代表卤族元素。这样的层状材料在正交和矩形结构（D2h）中结晶，两个M层由A原子包围，X层沿z方向钝化。[15]一组铁磁性四方长晶型TMBi2Te4（TM=V，Mn，Ni，Eu）单分子层也有可能是铁磁有序的半导体。TMBi2Te4单分子层是由每个晶胞七个原子成ABC堆积形成Te-Bi-Te-TM-Te-Bi-Te七层在一个晶格形成D3d堆成。[16,17] 以三角-反棱柱D3d对称结晶的MXene的2D族是引起磁学领域广泛关注的理想体系，其通式为TMn 1XnTx（X=C and/or N ，T=O，OH，F，n=1-3）。由于在实验上实现了有序的双TM-MXenes，如Mo2Ti2Tx、Mo2Ti2C3Tx和Cr2TiC2Tx，因此可以通过多种过渡金属元素调节不同的磁性。[18]
二维铁磁性半导体在过去的几年中受到了广泛的关注并取得了巨大的成就，各种具有不同晶体结构和独特性能的本征二维铁磁性半导体已经被广泛研究，为我们搭建了一系列研究低维磁性材料的理想平台，然而将这些拥有独特结构和电子性质的磁性材料应用到实际的前提，是材料本身具有较高的居里温度，因此通过现有的技术手段，提高材料固有的居里温度是目前的一个研究重点。如何提高材料的居里温度，必须要了解磁性来源的机制，lsquo;一个令人满意的半经验的磁交换作用是由Goodenough，Kanamori 和Anderson指出的超级交换[19,20]，被认为与局域磁性离子和中间配位体之间的轨道重叠有关。规则的主要想法是180度的超级交换（磁性阴阳离子配位体-磁性阳离子的角度为180度）趋向于强AFM，而90度的超交换相互作用趋向于弱FM。值得注意的是，大部分被提出的铁磁半导体的相互作用可以被GKA规则描述，[21]它们通常很弱，是二维材料低居里温度的起因。双交换作用适用于混合化合价的磁性原子的系统，[22,23]在这之中磁性原子倾向于平行自旋态来稳定铁磁性排列。显然，居里温度与交换相互作用之间存在显著的相关性，因此，调节磁相互作用的步骤至关重要。应变工作是一种广泛应用的调节二维原始单层材料磁稳定性的方法。根据以往的研究，铁磁性超交换相互作用和居里温度在大多数情况下都是随着拉伸强度的增加而单调增强的系统。[24,27]载流子掺杂是调节电子和磁性的另一种常见方法。当电子掺杂或空穴掺杂时，费米能级将分别向上移动到导带或向下移动到价带，从而相应地改变磁性。[25]减少虚拟的交换间隙也有利于促进铁磁性耦合，一个可行的方法是用同价铁磁性半导体构建合金化合物。[26,28]
磁交换相互作用和巨磁各向异性被认为是实现二维铁磁半导体的重要组成部分。通过应变、载流子掺杂、吸附、空位和构建合金化合物等一系列方法已经被证明和提议来增强二维铁磁性半导体的铁磁性，进而提高材料的居里温度。相比较掺杂、吸附等手段，对材料施加应变，更具有操作性和可控性，对双层二维材料施加一定的垂直方向应力，可以有效的改变材料间成键形式，不但可以产生新的物理现象更有可能产生新的物相。可以预期，对双层磁性半导体材料施加垂直方向的应力，改变磁性材料之间的城建方式，可以有效地改变磁性原子的轨道占据，改变原子之间的超交换机制，进而提升磁性材料的居里温度。
参考文献：
[1] Gong C, Li L, Li Z, et al. Discovery of intrinsic ferromagne- tism in two-dimensional van der Waals crystals. Nature. 2017; 546:265-269.
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