文章介绍：

自2004年石墨烯成功发现以来，二维材料已成为学术界和产业界的主要研究焦点。通过将电子态严格限制在原子尺度的平面内，这些材料产生了从狄拉克半金属、半导体到绝缘体的丰富电子相。此外，它们以弱层间范德华键合为特征的本征特性，赋予了其自由剥离和重组装的独特能力。这一特性从根本上克服了传统外延生长中固有的严格晶格匹配限制，能够通过垂直堆垛实现人工构筑的量子材料与多功能器件，从而为后摩尔时代信息技术的发展奠定了坚实基础。特别是二维自旋电子学，它利用电子的自旋自由度而不仅仅依赖其电荷进行信息处理与存储，有望从根本上突破传统微电子学所面临的能耗和集成密度的物理极限。实现其实际应用的关键之一在于开发可在室温下工作的稳定且可控的二维铁磁材料。最初，研究者尝试通过掺杂、应变、缺陷等方法在非磁性二维材料中诱导磁性。然而，诱导产生的磁性往往较弱，难以控制，并可能对材料本征性能产生不利影响。因此，寻找具有室温磁性的本征二维铁磁材料对于二维铁磁材料在自旋电子器件中的应用变得至关重要。

Mermin-Wagner定理指出，在有限温度下，二维各向同性体系中无法维持长程磁有序。然而，磁各向异性在稳定二维磁性方面起着关键作用。磁各向异性主要包括两个组成部分，即磁晶各向异性和形状各向异性。磁晶各向异性主要源于材料固有的晶体结构和电子的自旋-轨道耦合效应。相比之下，形状各向异性主要来源于薄膜几何形状产生的退磁场效应。Gong等人和Huang等人分别独立成功制备了Cr₂Ge₂Te₆和CrI₃的本征二维铁磁材料，这些材料利用磁各向异性抑制热涨落，从而在二维极限下稳定了长程磁有序。Wang等人和Xie等人进一步分别通过界面耦合和范德华间隙工程展示了二维铁磁材料中磁各向异性的灵活可调性。这些开创性工作为二维铁磁材料的探索开辟了新的途径。随后，人们发现了多样化的二维铁磁材料家族，包括过渡金属卤化物、硫化物以及三元化合物。此外，调控其磁性能的策略——如施加应变、界面工程、静电门控、掺杂——也已成功得到验证。

在本征二维铁磁材料中，磁性主要来源于过渡金属原子。这些原子通过交换相互作用，可以建立长程磁有序。当相邻磁性原子的电子轨道重叠时发生直接交换；然而，这一机制在实际体系中相对罕见。在二维铁磁体中更常见的是超交换作用，由间隔更远的磁性中心之间的非磁性原子介导。除超交换外，其他相互作用途径——如双交换和超-超交换——也可能有所贡献。在具有离域电子的体系中，如Fe₃GeTe₂，需要采用巡游电子模型来全面描述材料的磁性行为。该框架结合了局域电子和巡游电子的影响，以提供对磁性的全面理解。

目前，室温磁性二维铁磁材料如Fe₃GaTe₂、Fe₅GeTe₂和CrTe₂已通过多种方法成功合成，包括机械剥离、分子束外延和化学气相沉积，为基础物理和器件探索奠定了坚实基础。由这些材料构建的范德华异质结构已展示出突破性的性能，实现了超低功耗自旋轨道转矩开关、室温高隧穿磁电阻、低通滤波和室温太赫兹发射等卓越特性。这些进展清晰地突显了二维铁磁材料的颠覆性潜力，为在后摩尔时代革新自旋电子器件铺平了道路。

然而，尽管该领域发展迅速，当前的综述大多缺乏一个系统的视角，将高质量材料的合成与磁性的精确调控（特别是在室温稳定性方面）同实际器件功能化紧密联系起来。为弥补这一空白，本综述旨在提供一个全面的概述，尤其侧重于二维铁磁材料的室温实用性和器件集成。我们首先系统梳理了二维铁磁材料的分类及主流合成技术，特别关注新兴的室温候选材料如Fe₃GaTe₂。随后，我们深入探讨了通过应变工程、电场调控、界面效应和元素掺杂等手段精确调控磁性能的关键策略。在此基础上，我们重点介绍了二维铁磁材料中独特的自旋电子学现象，包括高效的自旋轨道转矩开关、交换偏置效应和斯格明子。最重要的是，我们详细评估了基于二维铁磁材料的最先进的原型器件。这一讨论不仅涵盖了室温自旋阀和磁性隧道结的性能突破，还扩展到自旋晶体管、神经形态计算硬件和太赫兹发射器等新兴应用。最后，我们总结了该领域在可扩展集成、环境稳定性和低功耗器件开发方面面临的挑战，并对未来的研究方向提出了展望。

中文摘要：

具有长程磁有序的本征二维铁磁材料的发现彻底改变了自旋电子学领域，为开发超紧凑、低功耗、非易失性器件提供了前所未有的机遇。本综述系统总结了这一快速发展领域的最新进展。在本工作中，我们首先概述了各类二维铁磁材料的基本概念和独特的物理性质，将其分为过渡金属卤化物、二硫族化合物和三元化合物，重点介绍了CrTe₂、Fe₅GeTe₂和Fe₃GaTe₂等代表性材料，这些材料在单层极限下仍表现出磁性，并且至关重要的是，可在室温以上工作。其次，我们讨论了获取高质量二维铁磁材料的各种合成技术，如机械剥离、分子束外延和化学气相沉积。随后，我们深入探讨了调控其磁特性的关键策略，包括应变工程、电场调控、界面效应（邻近效应、堆垛方式、扭转角）以及元素掺杂，从而实现对居里温度、磁各向异性和开关行为的精确控制。本综述的核心聚焦于二维铁磁材料中得以利用的关键自旋电子学现象，例如高效的自旋轨道转矩开关、交换偏置效应以及磁性斯格明子的稳定化，重点阐述了其潜在机制和可调性。在此基础上，我们广泛探讨了二维铁磁材料在开创性自旋电子器件中的应用，包括在室温下表现出显著磁电阻的自旋阀和磁性隧道结，以及其他新兴器件如自旋晶体管、神经形态计算组件和太赫兹发射器。最后，我们讨论了当前的挑战，并对旨在解决材料合成、稳定性和集成等方面障碍的未来研究方向提出了展望。本综述强调了二维铁磁材料在原子尺度上重塑信息存储、处理和传感技术的变革潜力。