由范南海（Pham Nam Hai）教授带领的东京科学研究所科研团队，研发出一种能在比目前已知任何类似材料都更高温度下工作的铁磁半导体（FMS）。根据他们发表在《应用物理快报》（2025年4月24日，第126卷，第16期）上的研究成果，该材料的居里温度（TC）高达530开尔文，远超室温。

对于不熟悉的人来说，居里温度是指铁磁材料（如铁或某些半导体）失去永久磁性，转变为顺磁性的特定温度。

FMS材料以兼具电学和磁学特性而闻名，这使得它们在利用电子电荷和自旋的自旋电子器件领域前景广阔。其中，像（In,Fe）Sb和（Ga,Fe）Sb这类掺铁的窄带隙III-V族半导体，因具备实现高居里温度的潜力而备受关注。然而，在不破坏晶体结构的前提下，引入大量铁等磁性元素一直是一大难题。

在早期的研究尝试中，像（Ga,Mn）As这类材料的居里温度值较低，无法在室温下有效使用。尽管过去的研究曾实现420开尔文的居里温度，但这仍不足以满足稳定、实际运行的需求。

在这项新研究中，东京科研团队找到了解决这一问题的方法。他们采用一种名为台阶流生长的技术，在略微倾斜（约偏离轴线10°）的砷化镓（GaAs）（100）基底上生长（Ga,Fe）Sb薄膜。这种方法使他们能够在不破坏材料结构的情况下，添加高达24%的铁。

得益于这项技术，他们成功制备出居里温度在470开尔文至530开尔文之间的（Ga₀.₇₆Fe₀.₂₄）Sb薄膜，这是目前FMS研究中报道的最高值。

范教授表示“在传统的（Ga,Fe）Sb样品中，在高掺铁水平下保持结晶性一直是个难题。通过在邻近基底上应用台阶流生长技术，我们成功攻克了这一挑战，在FMS中实现了全球最高的居里温度。”

为了确认磁性行为，研究团队采用了磁圆二色性光谱法，该方法用于检测光与自旋极化电子态的相互作用。他们还利用阿罗特图分析磁化数据，这是一种用于确定材料磁化温度的技术。

样品中每个铁原子的磁矩约为4.5玻尔磁子，接近锌矿结构中Fe³⁺离子预期的理想值5玻尔磁子。这大约是普通铁金属（α-Fe）磁矩的两倍。

他们还对材料的长期耐用性进行了测试。在开放空气中存放1.5年的9.8纳米薄膜，尽管居里温度略有下降至470开尔文，但仍表现出较强的磁性。

范教授补充道“我们的研究结果表明，制造与室温操作兼容的高居里温度FMS是可行的，这是实现自旋电子器件的关键一步。”这项工作展示了通过精心控制生长方法和材料设计，可以为未来的自旋电子学或自旋电子器件研发出更实用、更强大的半导体。

如果你想知道这项研究的特别之处，自旋电子学承诺几乎没有待机泄漏、低功耗、惊人的耐久性、出色的读写性能，且所有这些特性都集成在一个非易失性封装中，据说还能轻松与现有的基于互补金属氧化物半导体（CMOS）的电子电路集成。基于自旋的磁阻随机存取存储器（MRAM）也是通用存储器的候选之一。

来源东京科学研究所、美国物理联合会出版社

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