实现了电可控自旋极化的二维双极磁性半导体

　　左边Cr阳离子与吡嗪自由基之间存在强的d-p直接交换磁相互作用。中间是居里温度  T  c会显示出来。右边显示Cr(吡嗪) 2单层是一种固有的双极磁性半导体，电掺杂可以诱导半金属导电，且自旋极化方向可控。资料来源:李向阳、李星星。
　　二维(2D)磁性半导体集半导体性、铁磁性和低维性于一体，是高速纳米自旋电子器件的基石。然而，现今二维磁性半导体的实际应用面临两个关键问题:与室温相比磁居里温度相当低，以及缺乏一种简单有效的方法来控制载流子的自旋极化方向。因此，开发具有室温磁有序和自旋极化可控的二维磁性半导体是非常必要的。
　　一方面，为了将磁居里温度提高到室温，杨金龙教授课组早前提出引入一种过渡金属阳离子与磁性有机连接基阴离子之间的强d-p直接亚铁磁性交换相互作用(见以下，左图)在矩形二维有机金属晶格中，如Cr(戊烯)2和Cr(DPP)2。然而，到目前为止，他们的实验实现仍然是一个悬而未决的问题。此外，自旋极化的控制还没有实现。
　　另一方面，为了简单地通过电门控实现对载流子自旋极化的直接控制，杨金龙教授课组先前提出了一种新的自旋电子材料，名为双极磁半导体(bipolar magnetic semiconductors, BMS)，通过改变外加电压门极的极性，可以提供自旋极化方向可逆的完全自旋极化电流。值得一提的是，最有前途的具有BMS功能的二维材料是我们设计的二维MnPSe3纳米片，其自旋极化方向与电子和空穴掺杂方向相反，并且可以通过施加外部电压门来控制。然而，2D MnPSe3的基磁态是反铁磁的，需要掺杂才能成为铁磁BMS。此外，掺杂下的磁居里温度较低(可达206k)，与实际应用相去甚远。
　　在这里，结合我们最近提出的d-p直接亚铁磁交换方案和双极磁性半导体(BMS)的概念，杨金龙教授的研究小组通过剥离新合成的有机金属层状晶体Li0.7[Cr(pyz)2]Cl0.7·0.25(THF) (pyz =吡嗪，THF =四氢呋喃)，实现了具有室温亚铁磁性有序和电可控自旋极化的二维本质BMS材料，这是一个重大的进步。剥离能为0.27 J/m2，较低，甚至小于石墨的剥离能，证实了剥离的可行性。剥落了Cr (pyz) 2单层,每个吡嗪环抓住一个电子从铬原子成为激进的负离子,然后一个强大的基于非直接交换磁Cr阳离子和吡嗪激进分子之间的交互出现,导致室温铁氧体磁性的居里温度342 K(见下文,中心形象)。此外，研究还发现，Cr(pyz)2单层是一种固有的双极磁性半导体，电掺杂可以诱导自旋极化方向可控的半金属导电(见下图)。
　　设计双极磁性半导体(BMS)，即Cr(pyz)2单层片，其意义总结如下: 将双极磁性半导体(BMS)的磁居里温度提高到室温。 通过简单的电门控实现对载流子自旋极化的直接控制。 通过机械剥离容易制备。
　　这种有机金属亚铁磁性半导体不仅为实现高tc二维磁性半导体提供了新的机会，而且在电控纳米自旋电子器件的设计中具有巨大的潜力。