近日，复旦大学微纳电子器件与量子计算机研究院石武课题组联合复旦大学理论物理与信息科学交叉中心袁喆课题组以及南方科技大学梅佳伟课题组，在二维范德华反铁磁半导体 CrSBr 的电学自旋操控方面取得重要进展。研究团队提出并实验证明了“载流子掺杂驱动零磁场磁相变，实现全电学自旋控制”的新方案。相关成果以 “Doping-Induced Magnetic Phase Transition Enables All-Electrical Spin Control in CrSBr” 为题于2025年12月19日发表于期刊《自然通讯》（Nature Communications）。
二维范德华磁性材料因其可层控、可栅控、易集成异质结构等优势，为新一代自旋电子学打开了广阔空间。尤其是二维反铁磁（AFM）半导体，兼具无杂散磁场、抗扰动强、响应频率快、可高密度集成等特点，被认为是实现高性能自旋逻辑与存储的理想候选。然而，反铁磁序所固有的自旋简并性使得磁序与自旋极化均难以通过电学方式进行有效调控，成为制约其器件应用的关键瓶颈。尽管电场调控可在CrPS4等反铁磁材料中诱导自旋极化，但直接操纵层间耦合以实现反铁磁到铁磁（AFM-to-FM）相变仍具挑战性。载流子掺杂作为一种有效手段，可通过电荷-自旋耦合调控磁序，而二维反铁磁半导体CrSBr的弱层间耦合和强电荷-自旋关联使其成为实现掺杂诱导相变的理想体系。
本工作提出并实验证明了“载流子掺杂驱动零磁场磁相变可实现全电学自旋控制”的新机制。在反铁磁半导体CrSBr 中，研究团队通过栅极可控的高浓度载流子掺杂，成功诱导了零外磁场条件下反铁磁-铁磁的可逆相变，从而在单一材料体系内同时实现了磁序与自旋极化的电学调控，突破了反铁磁自旋电子学中的核心瓶颈。在此基础上，进一步构建了CrSBr/石墨烯横向自旋阀器件，在无需铁磁金属接触的全范德华器件结构中实现了栅极调控的自旋极化翻转。此外，该机制还使得在超低电流密度下可通过自旋转移力矩（STT）实现沟道磁序的电学切换，充分体现了其优异的能效优势与器件兼容性。
通过将电学可写磁序与栅极可调自旋极化相结合，本工作确立了二维反铁磁半导体作为集自旋产生、操控与输运于一体的统一平台。该成果显著提升了反铁磁体系的电学可控性，并为基于范德华材料构建可重构、低功耗、全电学自旋电子器件提供了全新的器件范式。复旦大学2022级博士生赵国瑞为论文第一作者，石武青年研究员、袁喆教授、梅佳伟教授为共同通讯作者。研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、深圳市基础研究计划等项目支持。
论文链接： https://doi.org/10.1038/s41467-025-67561-3
图1：CrSBr掺杂诱导磁相变及电学自旋操控。a, 用于实现对 CrSBr 中磁序与自旋极化进行电学调控的实验策略。b, 高载流子掺杂器件结构示意图。c, 掺杂前后电导随温度的变化曲线。d, 掺杂前后磁阻随沿易轴方向外场的变化曲线。
图2：栅极可控的石墨烯接触CrSBr横向自旋阀器件示意图。利用石墨烯/CrSBr界面超强的电荷转移构筑局域铁磁接触区，形成FM(接触)/AFM(沟道)/FM(接触) 的横向自旋阀结构。利用固态栅极调控实现对自旋极化率的连续调控与自旋阀磁阻信号的反号。
图3：全电控自旋阀器件结果展示。a, 石墨烯接触CrSBr横向自旋阀的磁阻信号随外磁场的变化曲线。b, 自旋阀磁阻(自旋极化率)在栅极调控下反号的实验数据。c, 横向 CrSBr 通道中由自旋转移力矩（STT）驱动的磁序调控示意图。d, 不同STT电流密度下磁阻随外磁场的变化曲线。
