JPCM编辑优选：Cr2SiTe4 和Cr2GeTe4单层：二维本征高温铁磁半导体

图1. (a) Cr₂XTe₄ (X = Si，Te)单层的晶体结构；（a）自旋电荷密度图；（c）室温下两种结构随时间的能量变化；（d）声子谱。

Cr₂XTe₄（X = Si，Te）单层是四方相结构，其主要净自旋电荷分布在Cr元素周围，Te元素周围分布少量相反自旋电荷。材料磁性源自过渡金属Cr元素。室温下随时间的变化能量波动较小，证实了其具有良好的热稳定性。此外在整个布里渊区中，声子谱没有虚频，也证明了它们动力学的稳定性。

图2. Cr2XTe4（X = Si，Te）单层的电子能带结构与占据成分。

 Cr₂XTe₄（X = Si，Te）单层是具有大约1eV的铁磁半导体；价带顶与导带底主要由Cr-d与Te-p轨道贡献且贡献大小接近。这意为着伴随p-d杂化的强烈的Cr-Te相互作用。

2. 磁各向异性与磁交换作用

图3. 磁各向异性能（a，b）与磁交换机制（c，d）

Cr₂SiTe₄和Cr₂GeTe₄单层在磁矩平行指向面外时能量最低表现出伊辛铁磁性，其磁各向异性能分别为497和591μeV。其铁磁基态主要由180°的反铁磁超交换与90°的铁磁超交换相互竞争的结果。

3. 居里温度

图 4. 在Cr₂SiTe₄单层（a-c）和Cr₂GeTe₄单层（d-f）中磁矩M（蓝色）、比热C_v（红色）和磁化率（洋红色）随温度变化的图像。

在铁磁-顺磁相变过程中材料的性质会发生巨变，这时的温度被称之为居里温度。如图所示，通过计算发现材料的磁矩下降最快处，比热与磁化率最大值对应的温度一致，显然Cr₂SiTe₄单层和Cr₂GeTe₄单层的居里温度分别是180K与170 K。

结论

Cr₂XTe₄（X = Si，Te）单层是拥有1 eV直接带隙和大磁各向异性的伊辛铁磁半导体，其居里温度分别高达180K和170K。高的居里温度来自较强Cr-Te离子相互作用。该材料的发现为寻找本征室温铁磁半导体提供了一个新思路，即寻找强离子相互作用的元素组成的晶体材料。

研究背景：

自旋电子器件具有运行速度快、能耗低、存储密度高等优点，近年来在世界范围内引起了广泛的关注。铁磁半导体是自旋电子学最有前途的候选材料之一，它具有传统半导体电子学与有限温度下非易失性磁存储器相结合的优点。人们可以应用当今成熟的半导体技术，方便地在器件中实现。不幸的是，由于铁磁性和半导体性之间的不兼容性，本征铁磁半导体在自然界中非常罕见，其居里温度通常显著低于室温，极大地阻碍了其实际应用。“能否制造出在室温下工作的磁性半导体”也被选为21世纪科学领域最具挑战性的125个大问题之一。二维磁性材料的发现及其在自旋电子学中应用引起了人们极大的关注，为实现高温本证铁磁半导体提供了新的方向。

王冰  副教授

河南大学

• 王冰， 副教授， 硕士生导师，主要从事新材料的理论设计与模拟，目前主要关注于二维多铁材料尤其是二维高温铁磁半导体的设计研究。近5年来在Mater. Horiz. ，Nanoscale Horiz.，J. Phys. Chem. Lett.，Nanoscale，ACS Appl. Mater. Interfaces，InfoMat，Appli. Phys. Lett. 等国际著名学术刊物上共发表学术论文20余篇，文章引用近1000余次（Google）。担任Advanced Materials, Nanoscale, 2D Materials, Chinese Physics B等多种期刊审稿人。