Research in two-dimensional (2D) materials has experienced rapid growth in the past few years. In particular, various layered compounds exhibiting quantum phenomena, such as superconductivity and magnetism, have been isolated in atomically thin form, often in spite of their chemical instability. The nature of the 2D phases can be different than their bulk counterparts, making such systems attractive for fundamental studies. Owing to their high crystallinity and absence of dangling bonds, devices and heterostructures incorporating these materials may also show performance exceeding that of traditional films. In this roadmap article, we focus on a few recent developments in spin-based quantum devices utilizing the 2D magnetic semiconductor, CrI$_3$.
Scanning Tunneling Microscopy of Defect States in the Semiconductor Bi$_2$Se$_3$
Bi $_2$ Se $_3$掺杂过量Bi的扫描隧道光谱图像揭示了具有类似三叶草叶子的引人注目的形状的电子缺陷状态。用一个简单的紧束缚模型，我们表明，在Bi $_2$ Se $_3$的缺陷态的几何形状可以直接相关的位置的起源杂质。只有Bi缺陷的Se网站五个原子层以下的表面实验观察到。我们发现，这种效果可以解释的缺陷和表面电子结构的相互作用。
Organic Zener Diodes: Tunneling across the Gap in Organic Semiconductor Materials
实现了反向击穿电压在-3 V ~-15 V范围内可精确调节而对正向电流-电压曲线无任何影响的有机齐纳二极管。这是通过以1纳米的精度控制pin二极管中的电荷耗尽区的宽度来实现的，而与掺杂浓度和本征层的厚度无关。击穿效应具有指数的电流-电压特性和弱的温度依赖性，这是由穿过邻近分子HOMO-LUMO能隙的隧穿机制解释的。实验数据证实了一个最小的哈密顿模型的方法，包括相干隧穿和非相干跳跃过程作为可能的电荷传输路径通过有效的器件区域。
Impact of band-anticrossing on band-to-band tunneling in highly-mismatched semiconductor alloys
我们从理论上分析了带间隧穿（BTBT）在高度失配，窄隙稀氮化物和铋化物合金，和量化的影响的N-或Bi-引起的扰动的能带结构-由于带反交叉（BAC）与局部杂质状态-上的电场依赖的BTBT产生率。对于这类半导体，由于BAC相互作用产生的强带边非抛物性，支持广泛采用的直接BTBT凯恩模型的假设被打破。通过数值计算的基础上的Wentzel-Kramers-Brillouin近似，我们表明，BAC导致，在固定的带隙，以减少（增加）BTBT电流在低（高）施加的电场相比，在传统的InAs $_{1-x}$ Sb $_{x}$合金。我们的分析表明，BTBT在InN $_{x}$ As $_{1-x}$和InAs $_{1-x}$ Bi $_{x}$是由场依赖的竞争的影响N（Bi）的掺入（i）的色散的复杂的带连接的价带和导带，这在低场强占主导地位，和（ii）的导（价）带边的状态密度，这在高场强占主导地位。我们的研究结果在雪崩光电二极管和隧穿场效应晶体管的应用的影响进行了讨论。
Theoretical study on magnetic tunneling junctions with semiconductor barriers CuInSe$_2$ and CuGaSe$_2$ including a detailed analysis of band-resolved transmittances
Large current modulation and tunneling magnetoresistance change by a side-gate electric field in a GaMnAs-based vertical spin metal-oxide-semiconductor field-effect transistor
Interband tunneling effects on materials transport properties using the first principles Wigner distribution
窄禁带半导体中的电子输运的特征在于价带和导带中的载流子之间的自发垂直跃迁，这种现象也称为齐纳隧穿。然而，这种效果是没有捕捉到现有的模型的基础上玻尔兹曼输运方程。在这项工作中，我们提出了一个新的完全第一性原理模型的电子输运使用的维格纳分布函数，并实现它来解决电子的运动方程。的形式主义推广的玻尔兹曼方程的材料具有较强的带间耦合，并包括传输贡献的非对角分量的电荷电流算子。我们说明的方法与Bi $_2$ Se $_3$的研究，显示带间隧穿占主导地位的电子输运动力学在实验相关的小掺杂浓度，一种行为，可能是共享与其他半导体，包括拓扑绝缘体。令人惊讶的是，齐纳隧穿也发生在由比带隙大得多的能量分开的带子谷之间。
Unconventional bias-dependent tunneling magnetoresistance in van der Waals ferromagnetic/semiconductor heterojunctions
State Key Laboratory of Superlattices and Microstructures, Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences（中国科学院半导体研究所超晶格与微结构国家重点实验室）；Center of Materials Science and Optoelectronics Engineering, University of Chinese Academy of Sciences（中国科学院大学材料科学与光电工程研究中心）；Department of Applied Physics, School of Engineering Sciences, KTH Royal Institute of Technology（瑞典皇家理工学院工程科学学院应用物理系）；School of Physics and Astronomy, University of Nottingham（诺丁汉大学物理与天文学院）；Center for Joining and Electronic Packaging, State Key Laboratory of Material Processing and Die & Mold Technology, School of Materials Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology（华中科技大学材料科学与工程学院材料加工与模具技术国家重点实验室连接与电子封装中心）；Wuhan National High Magnetic Field Center, Huazhong University of Science and Technology（华中科技大学武汉国家强磁场中心）；School of Electrical and Electronic Engineering, Tiangong University（天津工业大学电气与电子工程学院）
Atomic scale electronic structure of the ferromagnetic semiconductor Cr2Ge2Te6
Cr_2Ge_2Te_6是一种具有范德华型层状结构的本征铁磁半导体材料，是一种很有前途的新型电子和自旋电子器件材料。在这里，我们结合扫描隧道显微镜和第一性原理计算研究的电子结构的Cr2 Ge 2 Te 6。Tunnel光谱揭示了一个令人惊讶的大的能级位移和变化的能隙大小的铁磁顺磁相变，以及一个特殊的双峰电子状态的Cr-网站缺陷。这些特征可以通过密度泛函理论的计算得到定量的解释，揭示了电子结构和磁序之间的密切关系。这些发现为Cr2 Ge 2 Te 6的微观电子结构和磁序起源提供了重要的新线索。
Chirality-induced magnetoresistance in hybrid organic-inorganic perovskite semiconductors
National Laboratory of the Rockies（落基山国家实验室）；Renewable and Sustainable Energy Institute, University of Colorado Boulder（科罗拉多大学博尔德分校可再生能源与可持续能源研究所）；North Carolina State University（北卡罗来纳州立大学）；University of Wisconsin-Madison（威斯康星大学麦迪逊分校）；Center for Hybrid Organic Inorganic Semiconductors for Energy（能源混合有机无机半导体中心）
Influence of surface band bending on a narrow band gap semiconductor: Tunneling atomic force studies of graphite with Bernal and rhombohedral stacking orders
Spin filtering effect in intrinsic 2D magnetic semiconductor Cr2Ge2Te6
采用机械剥离法和叠层法制备了Fe_3GeTe_2/Cr_2Ge_2Te_6/石墨的vanderWaals（vdW）磁性异质结，并对其磁输运特性进行了详细的研究。在低偏置电压下，已经观察到大的负结磁阻，并归因于跨绝缘Cr2 Ge 2 Te 6层的自旋守恒隧穿输运。随着偏置的增加，会发生Fowler-Nordheim隧穿的交叉。隧穿磁电阻（TMR）的负符号表明Cr2 Ge 2 Te 6导带底部属于少数自旋，这与某些第一性原理计算的结果相反。这项工作表明，基于二维磁性绝缘体的vdW异质结构是一个有价值的平台，以获得进一步深入了解自旋极化隧穿输运，这是追求高性能自旋电子器件和各种量子现象的基础。
Direct probing of phonon mode specific electron-phonon scatterings in two-dimensional semiconductor transition metal dichalcogenides: Symmetry and Berry phase
First-principles study on magnetic tunneling junctions with semiconducting CuInSe${}_{2}$ and CuGaSe${}_{2}$ barriers
本文从理论上研究了具有半导体势垒的两种磁性隧道结CuInSePDMATHABMM（CIS）和CuGaSePDMATHABMM（CGS），它们是最近报道的混合半导体势垒CuIn ${}_{1-x}$ Ga $_{\it x}$ Se ${}_{2}$的终端化合物.为了讨论这些系统的输运性质，我们分析了复杂的能带结构，磁阻（MR）的比率，和电阻面积产品（$RA$）通过使用第一性原理计算结合Landauer公式。结果表明，$Δ_{1}$波函数对CIS和CGS基MTJ的自旋相关隧穿输运都有显著的贡献。我们还发现，基于CGS的MTJ具有比基于CIS的MTJ大得多的MR比和略高的$RA$，这表明对于基于CuIn ${}_{1-x}$ Ga ${}_{x}$ Se ${}_{2}$的MTJ中的较高Ga浓度$x$，期望更大的MR比。通过改变CIS和CGS的Cu 3 $d$态的库仑排斥，进一步研究了势垒带隙与MR比之间的关系.结果表明，具有较大带隙的势垒产生较大的MR比。还给出了CIS-、CGS-和MgO基MTJ之间的MR比和$RA$的比较。
