左邊Cr陽離子與吡嗪自由基之間存在強的d-p直接交換磁相互作用。中間是居里溫度 T c會顯示出來。右邊顯示Cr(吡嗪) 2單層是一種固有的雙極磁性半導體，電摻雜可以誘導半金屬導電，且自旋極化方向可控。資料來源:李向陽、李星星。
二維(2D)磁性半導體集半導體性、鐵磁性和低維性於一體，是高速奈米自旋電子器件的基石。然而，現今二維磁性半導體的實際應用面臨兩個關鍵問題:與室溫相比磁居里溫度相當低，以及缺乏一種簡單有效的方法來控制載流子的自旋極化方向。因此，開發具有室溫磁有序和自旋極化可控的二維磁性半導體是非常必要的。
一方面，為了將磁居里溫度提高到室溫，楊金龍教授課組早前提出引入一種過渡金屬陽離子與磁性有機連線基陰離子之間的強d-p直接亞鐵磁性交換相互作用(見以下，左圖)在矩形二維有機金屬晶格中，如Cr(戊烯)2和Cr(DPP)2。然而，到目前為止，他們的實驗實現仍然是一個懸而未決的問題。此外，自旋極化的控制還沒有實現。
另一方面，為了簡單地透過電門控實現對載流子自旋極化的直接控制，楊金龍教授課組先前提出了一種新的自旋電子材料，名為雙極磁半導體(bipolar magnetic semiconductors, BMS)，透過改變外加電壓門極的極性，可以提供自旋極化方向可逆的完全自旋極化電流。值得一提的是，最有前途的具有BMS功能的二維材料是我們設計的二維MnPSe3奈米片，其自旋極化方向與電子和空穴摻雜方向相反，並且可以透過施加外部電壓門來控制。然而，2D MnPSe3的基磁態是反鐵磁的，需要摻雜才能成為鐵磁BMS。此外，摻雜下的磁居里溫度較低(可達206k)，與實際應用相去甚遠。
在這裡，結合我們最近提出的d-p直接亞鐵磁交換方案和雙極磁性半導體(BMS)的概念，楊金龍教授的研究小組透過剝離新合成的有機金屬層狀晶體Li0.7[Cr(pyz)2]Cl0.7·0.25(THF) (pyz =吡嗪，THF =四氫呋喃)，實現了具有室溫亞鐵磁性有序和電可控自旋極化的二維本質BMS材料，這是一個重大的進步。剝離能為0.27 J/m2，較低，甚至小於石墨的剝離能，證實了剝離的可行性。剝落了Cr (pyz) 2單層,每個吡嗪環抓住一個電子從鉻原子成為激進的負離子,然後一個強大的基於非直接交換磁Cr陽離子和吡嗪激進分子之間的互動出現,導致室溫鐵氧體磁性的居里溫度342 K(見下文,中心形象)。此外，研究還發現，Cr(pyz)2單層是一種固有的雙極磁性半導體，電摻雜可以誘導自旋極化方向可控的半金屬導電(見下圖)。
設計雙極磁性半導體(BMS)，即Cr(pyz)2單層片，其意義總結如下:
- 將雙極磁性半導體(BMS)的磁居里溫度提高到室溫。
- 透過簡單的電門控實現對載流子自旋極化的直接控制。
- 透過機械剝離容易製備。
這種有機金屬亞鐵磁性半導體不僅為實現高tc二維磁性半導體提供了新的機會，而且在電控奈米自旋電子器件的設計中具有巨大的潛力。
