在信息技术迅猛发展的今天，传统硅基半导体技术正逐渐逼近其物理极限。磁性半导体能够同时利用电子的电荷和自旋属性，不仅使信息存储与处理更高效，还可能提供非易失性的计算能力。针对大多数磁性半导体磁有序温度低于室温，开发出具有强室温铁磁性的半导体材料，是该领域亟待突破的关键科学难题。为了解决这一瓶颈问题，研究者通过新的方式发展磁性半导体，如本征二维磁性半导体和有机磁性半导体。从应用的角度看，由于有机磁体室温磁化强度通常小于1 emu/g，因此拥有高饱和磁化强度和高磁有序温度的有机磁性半导体非常吸引人。

为了解决室温弱磁性等瓶颈问题，中国科学院金属研究所功能材料与器件研究部研究人员的前期研究 [Kuang QF (旷奇峰等) J. Appl. Phys. 137 (2025) 013908]发现，采用高自旋Fe³⁺（S=5/2）完全替换有机-无机磁体(β-Fe₂Se₃)₄[Fe(tepa)] (tepa=四乙烯五胺)空间层中的高自旋Fe²⁺（S=2），亚铁磁材料的室温的饱和磁化强度可以从4 emu/g增加到7.2 emu/g。穆斯堡尔谱学和第一性原理计算表明，杂化材料晶格内高自旋Fe³⁺和Fe²⁺的层间和层内磁相互作用是二维磁体产生三维长程亚铁磁有序的原因。而调控空间层向无机层的电荷掺杂数量，并通过低自旋Fe²⁺（S=0）和Fe³⁺（S=1/2）完全抑制杂化材料中的磁相互作用，成功获得了具有42K转变温度的新型β-Fe₃Se₄基高温超导材料Fe₁₄Se₁₆(tepa)_0.8 [Li D (李达等) J. Mater. Sci. Techn. 198 (2025) 98-110]。

最近，研究人员进一步提出基于无机主体层与有机空间层协同作用实现磁性与半导体性能共存的研究策略，通过化学自组装成功制备出了具有四方晶体结构的二维有机-无机杂化亚铁磁半导体(β-Fe₃Se₄)₄[Fe(peha)]_0.7Fe_1.3 (peha=五乙烯六胺)（图1）。该磁性半导体纳米片是由四方β-Fe₃Se₄主体层和含有Fe³⁺和[Fe(peha)]³⁺的空间层组成，选区电子衍射结果证明纳米片的单晶结构特征（图2）。紫外可见光/光致发光光谱、电输运和塞贝克系数测量表明，这种n型半导体纳米片的直接光学带隙为2.22 eV，在130-300 K温度范围内遵循热激活导电机制(lnρ ∝ T^-1)，激活能为62.69 meV；在55-300 K温区内表现出极低的热导率（κ~0.8-2.5 W m⁻¹ K⁻¹），主要源于无机主体层与有机空间层之间的弱相互作用引发的软模振动或强非谐效应（图3）。磁性测量和穆斯堡尔谱分析证实了半导体纳米片中存在长程磁有序（图4）。室温下饱和磁化强度为4.6 emu/g，居里温度高于519 K，是目前实验上已报道的有机磁性半导体磁有序温度的最高值（图5），为进一步开发室温自旋电子学器件奠定了坚实基础。研究成果以“Two-dimensional hybrid nanosheets towards room-temperature organic ferrimagnetic semiconductor” 为题发表 [Men XL (门晓玲等) J. Mater. Sci. Techn. 233 (2025) 280-288]，并入选期刊封面故事论文。

本研究由金属所李达研究员、杨腾研究员和张志东研究员指导。金属所刘岗研究员、兰州大学李志伟教授、西安交通大学杨森教授和张垠副教授在光谱、穆谱和光磁响应等性能测试方面提供重要支持。

该成果得到了国家自然科学基金项目(51971221，52031014和52371203)资助。

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图1. Fe₁₄Se₁₆(peha)_0.7纳米片的形貌、化学成分和结构表征。（a）FESEM图像。插图显示了EDX光谱。（a）中用黄色框标记的纳米片的（b）Fe（c）Se（d）C和（e）N的元素分布。（f） FTIR光谱。（g）Fe 2p的XPS光谱。插图为以商业Fe₃O₄为参考的纳米片的Fe L边XAS。（h）室温下慢扫XRD谱及Le Bail精修和差异曲线。垂直短线表示布拉格衍射位置。（i）由β-Fe₃Se₄层和由Fe³⁺和有机peha分子组成的空间层构建的杂化纳米片的结构示意图。

图2. Fe₁₄Se₁₆(peha)_0.7纳米片单晶结构表征。（a）TEM照片和（b）[001]方向纳米片SAED谱。红线的交点表示β-Fe₃Se₄层的（010）、（100）、（110）、（020）、（200）、（220）衍射面。（c）将（a）中的纳米片从[001]旋转到[1̅ 11]的示意图。（d）沿[1̅ 11]方向纳米片的SAED谱。

图3.单晶Fe₁₄Se₁₆(peha)_0.7纳米片半导体性能。（a）Tauc图。（b）300 K下测试的PL谱（270nm激发）。电阻率与（c）T^-1（55–300K范围）和（d）T^-1/4（55–130K范围）关系线性拟合。采用10μA电流测试电阻率（空白点）。（e）电导率和塞贝克系数的温度依赖性。（f）实验测试的热导率（κ）-温度曲线、计算出的电子热导率（κ_el）和声子热导率（κ_lat）的贡献。曲线1-3是拟合线。

图4. Fe₁₄Se₁₆(peha)_0.7半导体的磁性能和穆斯堡尔谱。（a）H=0.1 kOe下记录的零场冷(ZFC)和场冷(FC)磁化强度-温度曲线，以及在零磁场下5-300K范围测量的交流磁化率。插图为交流磁化率实部的频率依赖性。（b）不同温度下测量的磁滞回线。插图为低磁场范围放大图。（c）H=50kOe下从300K到750K一系列加热或冷却过程中磁化强度(M)和dM/dT曲线的温度依赖性。（d）300 K、（e）100 K和（f）5 K下记录的穆斯堡尔谱。实验数据（黑点）和拟合谱（黑线）。不同颜色曲线代表材料中不同格点的Fe²⁺和Fe³⁺的自旋态不同。

图5.有机-无机Fe₁₄Se₁₆(peha)_0.7磁性半导体与从前报道的一些有机磁性半导体的磁有序温度和室温饱和磁化强度的比较。