近年来，二维铁磁体的发现为基础物理和下一代自旋电子学打开了大门。二维铁磁体中的磁各向异性打开了自旋波激发带隙，有效地阻止了热涨落，从而稳定了二维铁磁序。虽然二维铁磁性已得到证实，但二维材料晶圆级尺寸的生长以及实现室温(300K)本征铁磁性对基础研究及应用来说是一个亟需解决的关键科学问题。迄今为止报道的二维磁性材料大多是从块体剥离的微米级尺寸的薄片，极大地限制了二维铁磁在自旋电子学中的实际应用。分子束外延技术为获得化学计量比的单晶薄膜、探索物理尺寸的作用以及与传统微电子技术兼容的方式制备异质结和超晶格提供了机会。
徐永兵教授团队利用先进的低维材料制备与表征手段，系统研究材料的表面原子排布、体磁性、原子磁性以及能带结构等性能。具体地，该工作首次使用分子束外延的方法生长了厚度从单层到多层的CrTe2薄膜，并同时利用X-射线磁圆二项色性光谱、超导量子干涉仪和角分辨光电子能谱手段证实了CrTe2外延薄膜中的室温(300K)本征铁磁性。值得一提的是，由于CrTe2薄膜中的强垂直磁各向异性，当薄膜厚度降低到单原子层时，其本征铁磁序依然保持且居里温度高达200 K。具有室温本征铁磁性的二维CrTe2薄膜的分子束外延生长为二维材料在新一代自旋电子器件, 如自旋存储芯片 （STT-MRAM， SpinFET），的实际应用奠定基础，这将助力我国电子信息产业的跨越式发展。
图：CrTe2外延薄膜的室温本征铁磁性。
该成果以“Room-temperature intrinsic ferromagnetism in epitaxial CrTe2 ultrathin films”为题于2021年5月3日在自然通讯《Nature Communications》上在线发表[ Nat. Commun. 12, 2492 (2021)]。南京大学徐永兵教授、何亮教授、张荣教授以及密苏里大学哥伦比亚分校边广教授为论文的共同通讯作者，南京大学张晓倩博士、密苏里大学哥伦比亚分校博士生陆强声、英国伦敦大学Royal Holloway刘文卿教授为论文的共同第一作者。南京大学为论文第一单位，该工作得到江苏省光电信息功能材料重点实验室、江苏固态照明与节能电子学协同中心、南京大学-约克大学联合中心、国家重点研发计划(973项目)、国家自然科学基金重大仪器项目、江苏省前沿探索基金的支持。
文章链接：
Xiaoqian Zhang, Qiangsheng Lu, Wenqing Liu, Wei Niu, Jiabao Sun, Jacob Cook, Mitchel Vaninger, Paul F. Miceli, David J. Singh, Shang-Wei Lian, Tay-Rong Chang, Xiaoqing He, Jun Du, Liang He*, Rong Zhang*, Guang Bian* & Yongbing Xu*, Room-temperature intrinsic ferromagnetism in epitaxial CrTe2 ultrathin films, Nat. Commun. 12, 2492 (2021)