南京工业大学王琳教授团队和西北工业大学黄维院士团队|二维磁性材料综述

南京工业大学王琳教授团队和西北工业大学黄维院士团队对于二维磁性材料及异质结在结构特征、物理性质和自旋电子应用方面的最新进展进行了系统的综述，相关成果以“Recent Advances in Two-Dimensional Magnets: Physics and Devices towards Spintronic Applications”为题发表在Research上（Research, 2020, Article ID 1768918, DOI: 10.34133/2020/1768918）。

研究背景

近年来，众多研究发现，低维纳米材料在催化、半导体、量子输运等多个领域都具有极高的潜在价值。而对于磁学领域，由于尺寸效应可以明显地影响磁系统的自旋排列，因此可以期待低维磁性材料的出现将会是一大突破性的进展。然而，直到2017年，具有范德华层状结构的二维铁磁体Cr₂Ge₂Te₆和CrI₃内禀磁序的发现，才证实原子级厚的二维铁磁性材料的存在，之后二维铁磁性材料的研究迅速成为科研界的一大热点。研究发现，二维磁性材料不仅具有较大的磁各向异性，可以维持到单层极限的磁有序，同时拥有诸多不同于块体材料的物理特性，例如较强的量子约束和力学柔性，良好的缺陷灵敏度，磁性受厚度、各向异性和多物理场可调谐性等，这为探索新的物理机制提供了理想的研究平台，并为研发以二维磁性材料为基础的自旋电子器件设备提供了基础。

研究进展

南京工业大学王琳教授团队和西北工业大学黄维院士团队通过整理近期二维磁性材料的研究成果汇总成该篇综述文章。本文首先系统描述了常见二维磁性材料的基本性质，借助传统光学表征手段（如拉曼、光致发光以及磁光克尔效应）的研究工作，讨论了二维磁性材料的磁结构以及二维尺度下光与材料自旋的相互作用。同时着重介绍了如单自旋显微镜（Single-spin Microscopy）、光电发射电子显微镜（Photoemission Electron Microscopy）以及洛伦兹透射电子显微镜（Lorentz TEM）等近年来发展出的研究手段。通过这类技术，不但可以加深对二维磁性材料磁学特性的理解，而且还有助于发现诸如磁斯格明子和手性磁孤子等具有拓扑性质的新型磁结构。结合先进的测试手段，不但促进了二维磁性材料的研究进展，而且极大拓展了低维磁性材料的物理图像，为二维磁性材料的实际应用奠定了基础（图1）。

图1（a）二维磁性材料特性及潜在应用示意图；（b）近年来发现的二维磁性材料的转变温度及临界磁场分布图

除此之外，本综述还总结了二维磁性材料电子和自旋电子器件最新的研究工作（图2）。在电子特性方面，介绍了二维磁系统中出现的几种新奇的物理现象，包括磁振子的长程传输、各向异性磁阻和（量子）反常霍尔效应等等。另外，由于二维磁性材料所独有的结构特性，使得原子级自旋电子器件成为了可能。而在器件应用方面，大量相关研究工作都表明，二维磁性材料在多种类型电子器件特别是新型的自旋电子器件中都具有巨大的潜力。在此列举了几种常见的器件结构，例如自旋阀、自旋轨道扭矩、自旋场效应晶体管、自旋隧道场效应晶体管和自旋滤波器磁隧道结等等。并且详细归纳了不同器件类型的特点、用途和近期研究成果。希望该综述文章可以对进入该领域的研究者起到一定的借鉴作用。

图2（a）单自旋显微镜原理图；（b）二维磁性材料CrI₃在7K下，单层、5层以及9层样品的磁化率分布图；（c）二维铁磁材料Fe₃GeTe₂分别在110K和300K时的磁畴分布图；（d）90 nm Fe_0.5Co_0.5Si在Lorentz TEM的测试结果；（e）手性磁孤子材料Cr_1/3NbS₂在不同磁场下的Lorentz TEM图像

未来展望

虽然目前的研究成果都展现出二维磁性材料优异的物理特性，但是该领域仍有很多方面值得科研工作者去研究探索。首先，机械剥离法对于原子级二维材料的基础研究是一种简便、有效的手段，但显然不能满足工业生产需求。因此，如何大批量地获得原子级厚度二维磁性材料薄膜，是材料走向工业应用的前提。其次，目前发现的二维磁性材料都会具有不同程度的空气稳定性问题，且磁学性能仍然不够理想。因此，发现更多具有高转变温度、低临界场和良好的空气稳定性的二维磁性材料，对于二维磁性材料的应用也具有重要的意义。最后，如何利用二维材料的结构优势，通过构建不同类型的二维磁性材料异质结设计具有不同功能的电子器件，利用多种物理场耦合的方法来调控二维磁性材料的磁学性能，如何人工构建磁斯格明子、手性磁孤子等非传统磁结构。些都是未来科研工作者需要努力的研究方向。

作者简介

王琳，南京工业大学先进材料研究院教授。主要研究方向为：新型二维纳米材料的生长制备、光电特性、微电存储和量子器件等。曾荣获国际先进材料学会IAAM奖、欧洲材料科学会青年科学家奖、江苏省特聘教授等荣誉。担任国际先进材料协会会员、欧洲先进材料大会科学顾问委员、柔性电子材料与器件工信部重点实验室学术委员会委员、中国激光杂志社青年编委。

黄维，中国科学院院士，俄罗斯科学院外籍院士，中国有机电子学与柔性电子学的主要奠基者，西北工业大学教授常务副校长，国家杰出青年科学基金获得者，国家“973计划”项目首席科学家。中国化学会第三十届理事会副理事长。主要研究领域为纳米材料与技术和有机电子与器件等。

未来展望

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08-2020

《Research》是中国科协与美国科学促进会于2018年共同创办的定位为国际化、高影响力、世界一流水平、综合性、大型OA科技期刊，是美国《Science》自1880年创刊以来第一本合作期刊。主要发表生命科学、新材料、新能源、人工智能、微纳米科学、环境科学、机械科学、机器人与先进制造8个具有巨大发展潜力的热点交叉领域突破性研究成果。目前已建立了93人的国内外各占50%、具有国际影响力的编委会，主编(中国)为西北工业大学常务副校长、中科院院士黄维，主编(国际)为美国明尼苏达大学麦克凯特杰出教授崔天宏。已被CAS、CNKI、CSCD、DOAJ、EI、ESCI、INSPEC、PMC、Scopus数据库收录。

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