韩国高丽大学Sanghoon Lee教授等描述了铁磁多层结构中的层间交换耦合（IEC）现象，重点介绍了(Ga,Mn)As基铁磁半导体体系中独特的层间交换耦合特性。利用磁输运测量方法，研究了IEC对非磁性间隔层厚度、磁性层数目和载流子密度等结构参数的依赖性。本文系列样品同时具有典型的各向异性磁阻（AMR）和巨磁阻（GMR）类效应，表明(Ga,Mn)As基多层结构中铁磁（FM）和反铁磁（AFM）IEC均已实现。实验结果表明，非磁性间隔层中存在的载流子是实现系统中AFM IEC的重要因素。实验进一步表明，基于现有理论预测得到的IEC现象的作用距离并不准确，实际的IEC作用距离要远远大于现有预测值，这一现象表明(Ga,Mn)As基多层结构中的IEC是一种长距离的相互作用。由于(Ga,Mn)As基体系中的IEC具有远程性，所以其最近邻（NNN）IEC是不能忽略的，这将导致磁化反转过程中产生多步跃迁并与体系中不同的自旋结构相对应。通过测量多层体系中特定(Ga,Mn)As层磁化翻转对应的小型回路，本文通过实验确定了NNN IEC的强度。
图3. 不同载流子浓度和间隔层厚度的（Ga，Mn）As多层结构的IEC类型汇总图。黑色空心方块和红色空心圆圈分别代表FM IEC和AFM IEC。
4. 高温铁磁半导体综述——窄能隙系统和二维材料系统
为了超越传统电子器件，研究如何调控电子自旋的自旋电子学逐渐发展起来，演生出了很多新奇的物理现象与新材料。磁性半导体结合了磁性和半导体这两个重要领域，是实现自旋电子学器件的一类重要材料。实际应用要求磁性半导体的铁磁居里温度要高于室温，创造出在室温下工作的磁性半导体是重要科学问题。但是，目前还没有被大家普遍接受的室温铁磁半导体。对于得到广泛关注的磁性半导体材料是(Ga,Mn)As，其居里温度的最高纪录约为200K。人们在提高(Ga,Mn)As居里温度的尝试中遇到了很多困难，极大地限制了(Ga,Mn)As居里温度的提高。因此，迫切需要新思路、新材料来探索室温磁性半导体。
另外，室温磁性半导体也是实现室温量子反常霍尔效应的先决条件。目前，铁磁拓扑绝缘体中得到的量子反常霍尔效应仍然限制在2K的低温以下。如何提高磁性拓扑绝缘体的居里温成了一个迫切需要解决的问题。
在高温铁磁半导体综述中，中国科学院大学顾波教授讨论了两种实现室温磁性半导体的新路径。一种是作者2016年从理论上提出的窄能隙磁性半导体，不同于过去20年来大量研究的以(Ga,Mn)As为代表的宽能隙磁性半导体（见图1示意图）。对于GaAs等半导体，价带顶一般由p轨道为主的能带构成，导带底由s轨道为主的能带构成。对于Mn等磁性杂质，主要是d轨道起作用。理论计算表明，当Mn等杂质掺到GaAs等半导体里时，杂质电子与价带顶的d-p杂化较大，与导带底的d-s杂化小的多，一般形成靠近价带顶的杂质束缚态，在导带底没有杂质束缚态（见图1（a）IBS，impurity bound state）。由于杂质束缚态可以调控源于杂质的铁磁性，这解释了为什么铁磁性一般发现于p型半导体，而极少于n型半导体。相对于宽能隙半导体，理论计算表明窄能隙半导体更有利于形成靠近导带底及价带顶的浅能级的杂质束缚态（见图1（b），从而在N型(电子)及P型（空穴）载流子下，产生受杂质束缚态调控的铁磁性长程序, 并容易导致高的居里温度。该理论与最近实验进展一致。
另一种新路径是最近实验上得到的一系列范德瓦尔斯二维磁性半导体。2017年，在CrI3的单层膜中观测到了居里温度为45K的铁磁性，在Cr2Ge2Te6的双层膜中得到了居里温度为28K的铁磁性。作者通过理论计算，在2019年预言了一种拉伸应力诱导的二维室温铁磁半导体Cr2Ge2Se6，以及一种具有室温量子反常霍尔效应的二维铁磁半导体PtBr3。
综述中的最新理论成果，无疑会促进磁性半导体的理论与实验研究的深入发展。
图1.（a）宽能隙磁性半导体，铁磁性一般存在于p型载流子下。（b）窄能隙磁性半导体，铁磁性可存在于p型和n型载流子下。杂质束缚态IBS，impurity bound state。
High temperature magnetic semiconductors: narrow band gaps and two-dimensional systems
Bo Gu
J. Semicond. 2019, 40(8), 081504
doi: 10.1088/1674-4926/40/8/081504
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5. 新一代独立自旋及电荷掺杂稀磁半导体的研究进展
稀磁半导体展示出丰富的磁、光、电性能，具有重大的科学意义和产业价值，研制室温磁性半导体列为《Science》发布的125个重大科学问题之一。然而， 以III-V族材料为代表的经典稀磁半导体由于电荷与自旋“捆绑”的掺杂机制，导致材料的可控制备难度大，并且可控的最高居里温度（200K）和室温尚有一定距离。
中国科学院物理研究所靳常青研究员团队提出自旋、电荷分别掺杂的新机制，运用该机制与合作者研制并发现了系列新型稀磁半导体材料，其中(Ba,K)(Zn,Mn)2As2（简称BZA）的可控居里温度高达230K。BZA稀磁半导体与超导体半导体(Ba,K)Fe2As2、反铁磁体BaMn2As2具有相同的晶体结构，晶格失配度小于5%，为设计探索基于稀磁、超导、反铁磁多组合同结构异质结提供了机遇。基于这些优异特性，IEEE发布的“面向自旋电子学应用的演生材料路线图”将BZA和(Ga,Mn)As列为2个稀磁半导体里程碑材料，并推荐BZA为该领域重点研究的材料。
本文概述了这类自旋、电荷分别掺杂的新型稀磁半导体材料的进展，重点针对BZA体系的综合物性、单晶生长以及稀磁-超导简单异质结，进行系统阐述展望。
Advances in new generation diluted magnetic semiconductors with independent spin and charge doping
Guoqiang Zhao, Zheng Deng and Changqing Jin
J. Semicond. 2019, 40(8), 081505
doi: 10.1088/1674-4926/40/8/081505
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6. 核磁共振和缪子自旋旋转/弛豫/共振方法探究稀磁半导体微观特性的研究进展
从上个世纪90年代开始，III-V族稀磁半导体(Ga,Mn)As的研究得到了广泛的关注。经过20多年的探索尝试， (Ga,Mn)As薄膜的居里温度最高已经可以达到200K。然而，由于是薄膜样品，一些微观磁性测量手段，如核磁共振（NMR）、缪子自旋旋转/弛豫/共振（μSR）和中子散射，难以对其进行有效的物性测量，其磁性起源机制也一直存在着争议。近年来，一系列与铁基超导体具有相同结构的新型块材稀磁半导体被制备出来，包括P型的“111”型稀磁半导体Li(Zn,Mn)As、“1111”型稀磁半导体(La,Ba)(Zn,Mn)AsO、“122”型稀磁半导体(Ba,K)(Zn,Mn)2As2以及N型的Ba(Zn,Co)2As2等，其中(Ba,K)(Zn,Mn)2As2的居里温度最高已经可以达到230K。
浙江大学宁凡龙教授等归纳了近些年来对这些块材稀磁半导体的NMR和μSR研究结果。NMR是一种局域、微观、具有位置选择性的磁性测量手段，可以提供静态的自旋磁化率和动态的自旋动力学信息。图1为稀磁半导体Li(Zn0.9Mn0.1)P的NMR测量结果，Li(0)代表最近邻Zn位上没有Mn原子的Li原子；Li(Mn)代表最近邻Zn位上具有1-6个Mn原子的Li原子。由图可见，Li(Mn)的奈特位移与Li(0)的频率半高宽具有相同的温度依赖关系，这说明了Li(0)和Li(Mn)之间是电子耦合在一起的；同时Li(0)的自旋-晶格弛豫时间与温度成线性关系，表明有Korringa关系存在，而Li(Mn)的自旋-晶格弛豫时间在居里温度TC之上是常数，表明铁磁交换积分常数J大约在100K这个量级。该实验结果证明载流子促进了Mn-Mn之间的长程相互作用，同时也解释了为什么在如此低的载流子浓度（1017/cm3）下，该样品仍然能够形成较高居里温度的铁磁长程有序。
缪子的磁矩大约是电子磁矩的1/200，且其产生时即100%极化。当数以百万计的缪子打入样品中，缪子会和磁学环境发生作用并产生退极化。由于缪子是均匀地进入到样品中，因而可以探测磁性材料中磁有序部分的体积分数，并且获得相应的自旋动力学信息。我们通过μSR测量，证明了以上块材稀磁半导体在远低于居里温度的区间里，磁有序体积分数达到了100%，即均匀的磁有序扩展到了整个样品的实空间。我们还可以获得不同样品的静态局域场振幅（as）与居里温度的关系，并在图2中表示出来。as代表单个有序磁矩的大小和浓度的乘积，可以由ZF-μSR测得的谱线拟合得到。在图2中我们可以看到，这些Mn掺杂的新型块材稀磁半导体与(Ga,Mn)As落在同一条直线上，这说明了它们拥有着相似的铁磁有序机制。
这一系列NMR和μSR的实验结果表明， Mn掺杂的新型块材稀磁半导体中有着均匀、本征的铁磁有序，且它们有着与(Ga,Mn)As相似的铁磁机制。
图1(a)在Li(Zn0.9Mn0.1)P中在Li(Mn)位上7Li的奈特位移与温度的关系曲线图，以及在Li(0)位上频率的半高宽与温度的关系曲线图；内部为直流磁化率与温度的关系曲线图；(b)在Li(Zn0.9Mn0.1)P中Li(0)和Li(Mn)的1/T1与温度的关系曲线图，虚线标记了TC=25K的位置。图片来自参考文献[8]。
图2(Ga,Mn)As, Li(Zn,Mn)As, Li(Zn,Mn)P, (La,Ba)(Zn,Mn)AsO以及 (Ba,K)(Zn,Mn)2As2的as与居里温度的关系曲线图。图片来自参考文献[9]。
Progress on microscopic properties of diluted magnetic semiconductors by NMR and μSR
Yilun Gu, Shengli Guo and Fanlong Ning
J. Semicond. 2019, 40(8), 081506
doi: 10.1088/1674-4926/40/8/081506
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7. 掺锰拓扑绝缘体综述
拓扑绝缘体（TIs）具有时间反转对称（TRS）保护的坚固边缘或表面状态，使其成为自旋电子学器件的首要应用材料。功能性TI器件可向三维（3D）TI薄膜掺杂和带有磁性元件的大块材料方向发展，以打破TRS并打开表面禁带附近的狄拉克点。利用这种有间隙的表面态可以观察到宽泛的新型物理效应，为自旋电子学和量子计算的应用铺平了道路。
中国科学院物理研究所李永庆研究员等综述了锰（Mn）掺杂的3D TI的研究进展。本文总结了掺锰硫系TI，包括Bi2Se3、Bi2Te3和Bi2(Te、Se)3等的主要研究进展。详细讨论了掺锰Bi2Se3的输运性质，特别是其反常霍尔效应。最后，本文总结了今后锰掺杂TI的研究前景以及面临的挑战。
图4. 一种新型Bi2Se3层自组装工艺。（a）铋、硒和锰原子到达生长表面。（b）Bi2Se3热力学形成，而锰原子在与硒原子配对前保持扩散。（c）穿插在Bi2Se3 QLs间隙的自组装Bi2MnSe4 SLS。（d）2.5%Mn掺杂和（e）4.2%Mn掺杂的Bi2Se3层状结构。
Mn-doped topological insulators: a review
Jing Teng, Nan Liu and Yongqing Li
J. Semicond. 2019, 40(8), 081507
doi: 10.1088/1674-4926/40/8/081507
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