铁磁半导体（Ferromagnetic Semiconductors, FMSs）兼具半导体与磁性材料的独特特性，是构建兼具电子与自旋功能的新一代自旋电子器件的理想候选。然而，FMSs在实际应用中长期面临一个关键瓶颈——居里温度（Curie Temperature, TC）过低，难以满足常温下稳定运行的要求。尽管此前已有研究将TC提升至420 K，高于室温，但仍不足以支撑高效的自旋功能器件。这一难题甚至被《Science》杂志于2005年列为全球125个未解科学问题之一。
以往研究中常用的材料如（Ga,Mn）As，由于居里温度较低，难以实用于实际器件。而试图通过在窄带隙半导体如GaSb中引入Fe元素以提升TC的做法，受限于高浓度掺杂导致晶体质量下降，难以实现兼顾高TC与高结晶质量的材料设计。
针对这一挑战，日本东京工业大学的Pham Nam Hai教授团队提出创新解决方案。他们采用高偏角（10°）GaAs (100)台阶衬底上的step-flow生长法，成功制备出高品质的（Ga,Fe）Sb铁磁半导体薄膜。这一方法显著提升了材料在高Fe掺杂浓度下的结晶性，使得Fe含量高达24%的样品依旧保持良好的晶体结构，其TC更是达到了530 K，刷新了FMSs领域的纪录。该研究成果发表于《Applied Physics Letters》。
图：铁磁半导体实现530 K居里温度，助力室温自旋电子器件发展（图源：Phys）
团队通过磁圆二色性（Magnetic Circular Dichroism, MCD）光谱测量验证了材料的本征铁磁性，并结合Arrott图方法分析磁性转变行为，从而更准确地评估了材料在不同温度下的磁性演化。
Hai教授指出：“传统的（Ga,Fe）Sb材料在提高Fe含量的同时保持晶体质量始终是难题。我们通过step-flow生长法和台阶衬底的结合，成功突破了这一技术壁垒，首次实现了FMSs中迄今为止最高的TC。”
研究人员还评估了该材料的长期稳定性。他们测试了一块在自然环境中暴露1.5年的薄膜样品（厚度为9.8纳米），其TC虽有所下降（由530 K降至470 K），但仍保留显著铁磁性，表现出良好的实用潜力。更令人瞩目的是，该材料单位Fe原子的磁矩高达4.5 μB/atom，接近理想的Fe³⁺（5 μB/atom）理论值，是纯金属α-Fe的两倍，彰显出其优异的磁性能。
Hai教授表示：“我们的研究表明，具备高居里温度的FMSs是完全可实现的，这对自旋电子器件的室温运行至关重要。”
综上所述，该研究不仅在材料设计与制备方法上取得了关键性突破，更为实现新一代室温自旋功能半导体器件奠定了重要基础，展示了step-flow生长技术在提升FMSs性能方面的巨大潜力。
