1947年，第一支晶体管在贝尔实验室问世，吹响了1958年德州仪器公司第一个集成电路诞生的号角，加快了现代信息和通讯技术飞速发展的步伐，促进了人们的工作效率和生活质量的提高，转变了人们的工作学习的方式。足不出户可知天下事，人不离家照样能办事。这一切得益于晶体管的不断微型化和电子元器件的小型化。英特尔创始人之一Gordon Moore预言每隔18个月集成芯片的集成化度会增加一倍。40年来，这个预言得到了很好的证实。2013年Intel公司开始量产14nm晶体管，然而半导体器件尺寸正在量子相干效应设定的极限附近，量子效应将导致传统半导体器件设计理论基础失效。如何拯救摩尔定律？我们需要开创新的信息处理机制。
传统的电子学主要依赖于电子的电荷属性，而自旋是电子的另一个内禀属性，通过电子自旋的控制可以增加信息处理的自由度。自旋电子学基于微电子学和磁学，同时调控电子的电荷和自旋两种属性，进行信息读取、传输和处理，可以提高数据处理速度，降低耗电量，增加集成度并且解决当下信息存储的“易失性”问题。1988年巨磁阻效应（GMR）的发现标志着自旋电子学的诞生；1995年，隧穿磁电阻效应的发现又将自旋电子学推入一个新阶段。
实现半导体自旋器件的首要条件是注入自旋极化电流，进一步传输控制自旋极化载流子。因此，制备自旋极化材料是自旋电子学的重中之重。半金属铁磁体由于费米面附近特殊的能带结构，具有几乎100%的自旋极化率，但由于块体、表面以及界面的电子结构并不相同，异质结界面处实验表明自旋极化率远低于理论值。铁磁金属具有较高的自旋极化率，但由于与半导体电导的失配导致自旋在界面处发生严重散射，致使相位记忆产生跳变。磁性半导体由于具有半导体导电性和铁磁材料的自旋极化，是自旋极化电流注入的理想材料。因此，获得良好性能的磁性半导体是实现半导体自旋电子器件的基础和关键。
磁性半导体的研究起始于上世纪60年代，第一代浓磁半导体和第二代磁性半导体居里温度极低，大都低于10K。90年代Ohno等第一次在Mn掺杂的 Ⅲ-Ⅴ族半导体中得到了60K的居里温度，拉开了第三代磁性半导体研究的帷幕。此后，通过改进制备条件，其居里温度达到了200K,但仍远低于室温。2000年，Dietl等基于经典的Zener模型，预言了宽禁带半导体ZnO和GaN通过掺Mn可以产生室温铁磁性，激起了磁性半导体研究的高潮，然而，不同的实验报道结果却千差万别，对于磁性的起源也是众说纷纭，同时由于磁性杂质的溶解度低，仅能获得较弱的磁性。此外，电子的自旋寿命和扩散长度是自旋电子器件的重要参数，依赖于成熟的硅半导体工艺，硅是目前半导体领域的支柱材料，它同时也具有低的自旋-轨道散射和倒格子对称性，从而拥有了较大的自旋寿命和扩散长度，有望在自旋电子学中大展宏图，然而由于硅基磁性材料的缺乏，硅基自旋电子学的发展相对落后。
因此，寻找室温铁磁性的硅基半导体材料意义重大而任重道远。
在当今的CMOS微电子器件中，金属硅化物作为硅和金属界面处的连接而无处不在，很有希望成为构建硅基自旋电子学基础的材料。其中，硅化铁材料有很高的生态学价值，它的组成元素的无毒性以及现阶段地球上储备的充足性使得它有望成为重要的环境友好型材料；此外，铁硅化合物有着丰富的二元化合物种类，在磁学、电学和光学方面存在广泛的应用而备受瞩目。人工微结构科学与技术协同创新中心的吴兴龙教授研究组长期致力于硅化铁材料光学和磁学性能的研究。在铁硅化合物中，半导体相β-FeSi2由于在光电子和光伏器件方面的广泛应用而格外引人注目。如果能够在β-FeSi2中引入室温铁磁性，不仅能够得到室温磁性半导体，而且其集优异的光电性能与磁性于一身，将进一步拓展材料用途，存在巨大的应用前景。目前一些关于β-FeSi2磁性的研究仅能在低温下观察到弱的铁磁性并且结论不一甚至相互矛盾。众所周知，相比于体材料，纳米材料往往具有很多新奇的性质。在纳米尺度下，材料的表面积大大增加，造成键态的严重失配，无序度增加。对于半导体多面体纳米颗粒，由于晶体的各向异性，不同的晶面具有不同的表面原子排布和电子能带结构，特定的晶面不成对的自旋电子和自然存在的悬挂键相互作用可以引起磁性。因此，通过暴露的纳米颗粒的特定晶面是引入磁性的一种方法。该研究组通过第一性原理计算，显示了β-FeSi2的{100}和{011}两种晶面表面的铁原子均具有较大磁矩并呈现出铁磁序。{100}晶面方向的自旋态密度表明在费米能级附近存在自旋向下的部分占据带以及自旋向上的空带，表面铁原子层附近的局域磁矩与表面态巡游电子的相互作用可以引起强的室温铁磁性。该研究组经过不懈探索，通过化学气相沉积法，最终合成了具有两个{100}面和四个{011}侧面的β-FeSi2纳米立方体颗粒。磁性测量表明，该立方体颗粒在大于150nm临界尺寸时具有高达15emu/g的饱和磁化强度以及大约800K的居里温度，谱学分析表明该材料不包含杂质相，意味着强、室温铁磁性半导体β-FeSi2纳米材料的成功合成。
近年来信息的存储密度不断提高，越来越接近超顺磁的极限，信息存储的稳定性面临挑战。人们在通过提高磁记录介质的各向异性来提高磁矩保持能力的同时，介质的矫顽场也随之增强，使信息的写入极其困难。此外，磁场驱动的写入方式速度慢、噪声大、能量消耗高。如果能实现光或电场对磁性的调控，实现磁信息的光电写入，对磁性电子器件低功耗、微型化和高速操作性能的提升将大有裨益。由于该立方体颗粒表面具有铁磁性、内部具有半导体性，本身就构成了一种复合结构，为通过光、电改变载流子浓度来调控磁性提供了可能。该研究组的光照下磁性测量表明β-FeSi2颗粒的磁性对光响应灵敏，光照能够有效地改变磁性，这也为材料在自旋电子学方面的应用提供了更多的可能。
立方体形貌β-FeSi2展示的磁性特性为其它非磁半导体材料通过暴露特定晶面从而引入磁性提供了有益启示，该材料集表面铁磁性、半导体性以及自旋极化特性于一身，是开发半导体自旋电子器件的上选材料，对半导体自旋电子学的应用发展具有很好的促进作用。研究成果"Strong Facet-Induced and Light-Controlled Room-Temperature Ferromagnetism in Semiconducting β FeSi2 Nanocubes"发表于2015年8月24日在《美国化学会会志》(J.Am.Chem.Soc. 137, 11419−11424 (2015))上，论文第一作者是硕士研究生何志强同学，通讯作者为吴兴龙教授，这项工作的理论计算由熊诗杰教授完成。该工作得到了科技部“973”项目和国家自然科学基金项目资助。
图1 立方体形貌的β-FeSi2颗粒和形貌及尺寸依赖的室温强的铁磁性
图2 室温下立方体形貌β-FeSi2颗粒光照前后的M-H曲线