铁磁半导体（FMSs）结合了半导体和磁性的独特属性，是开发集成半导体和磁性功能的自旋电子器件的理想候选材料。然而，在FMSs中的一个主要挑战是实现高居里温度（TC），以便在室温下稳定工作。尽管先前的研究实现了420 K的TC，高于室温，但这不足以有效运行自旋功能材料，突显了FMSs中对TC提升的需求。这个挑战在2005年被《科学》杂志选为125个未解问题之一。诸如(Ga,Mn)As的材料展现出低TC，限制了它们在自旋电子器件中的实际使用。虽然向窄带隙半导体如GaSb中添加Fe似乎有希望，但在保持晶体质量的同时加入高浓度的Fe却十分困难，限制了可达到的TC。
为了克服这些限制，由日本东京科学研究所的Pham Nam Hai教授领导的研究团队，利用在高倾斜角（10°）的GaAs (100)衬底上采用步流生长方法开发了高质量的(Ga,Fe)Sb FMS。他们的研究成果于2025年4月24日发表在《应用物理快报》第126卷第16期中。采用步流生长方法使他们能够在保持出色晶体质量的同时，加入高浓度的Fe，结果实现了高达530 K的TC——这是迄今为止报道的FMSs中最高的。
研究团队利用磁性圆二色光谱测量确认了根据FMS的自旋极化带结构在(Ga0.76,Fe0.24)Sb层中的内在铁磁性。此外，团队还使用Arrott图，这是从磁化数据推断TC的标准技术。这一方法帮助识别了磁转变点，提供了对材料在不同温度下铁磁行为的更精确理解。
“在传统的(Ga,Fe)Sb样本中，高Fe掺杂水平下保持晶体质量是一个持续的问题。通过在倾斜衬底上应用步流生长技术，我们成功地解决了这一挑战，实现了FMSs中世界最高的TC，”Hai教授说。
此外，研究人员还通过测量在开放空气中存放1.5年的较薄(Ga,Fe)Sb（9.8 nm）层的磁性来研究其长期稳定性。尽管TC从530 K略微下降至470 K，但材料仍保持显著的铁磁特性，显示出其在实际应用中的潜力。此外，该材料每个Fe原子的磁矩（4.5 μB/atom）接近具有锌闪锤晶体结构的Fe3+离子的理想值（5 μB/atom）。这比α-Fe金属的磁矩高出两倍，突显了该材料卓越的磁性。
“我们的结果展示了制造高-TC FMSs的可行性，这些FMSs适用于室温操作，这是实现自旋电子器件的重要一步，”Hai教授补充道。
总体而言，该研究强调了在倾斜衬底上使用步流生长形成薄膜的有效性，从而生产出高质量、高性能的高Fe浓度FMSs。通过克服低TC的瓶颈，该研究代表了朝向实现能够在室温下运行的自旋功能半导体器件的重要进展。
