Two-dimensional (2D) van der Waals magnetic semiconductors displaying controllable ferromagnetism at room temperature form atomically sharp interfaces with various substrates. Such heterostructures create platforms for understanding spin-dependent phenomena across interfaces and surfaces for high-performance technological applications. Combining these 2D magnets with light and the spin Seebeck effect (SSE) in-state-of-the-art thermo-opto-spin studies forms a new paradigm in the field of spin-caloritronics that harnesses light as the new heat. In this Perspective, we detail how to exploit recent advances in 2D van der Waals materials to boost the SSE and propose a new strategy for optically controlled SSE in 2D magnetic semiconductor-based heterostructures with the intent to establish the research thrust of “opto-spin-caloritronics.”

1.
2.
J. F.
Sierra
,
J.
Fabian
,
R. K.
Kawakami
,
S.
Roche
, and
S. O.
Valenzuela
,
Nat. Nanotechnol.
16
,
856
(
2021
).
3.
J.
Chu
,
Y.
Wang
,
X.
Wang
,
K.
Hu
,
G.
Rao
,
C.
Gong
,
C.
Wu
,
H.
Hong
,
X.
Wang
,
K.
Liu
,
C.
Gao
, and
J.
Xiong
,
Adv. Mater.
33
,
2004469
(
2021
).
4.
B.
Huang
,
G.
Clark
,
E.
Navarro-Moratalla
,
D. R.
Klein
,
R.
Cheng
,
K. L.
Seyler
,
D.
Zhong
,
E.
Schmidgall
,
M. A.
McGuire
,
D. H.
Cobden
,
W.
Yao
,
D.
Xiao
,
P.
Jarillo-Herrero
, and
X.
Xu
,
Nature
546
,
270
(
2017
).
5.
C.
Gong
,
L.
Li
,
Z.
Li
,
H.
Ji
,
A.
Stern
,
Y.
Xia
,
T.
Cao
,
W.
Bao
,
C.
Wang
,
Y.
Wang
,
Z. Q.
Qiu
,
R. J.
Cava
,
S. G.
Louie
,
J.
Xia
, and
X.
Zhang
,
Nature
546
,
265
(
2017
).
6.
Y.
Deng
,
Y.
Yu
,
Y.
Song
,
J.
Zhang
,
N. Z.
Wang
,
Z.
Sun
,
Y.
Yi
,
Y. Z.
Wu
,
S.
Wu
,
J.
Zhu
,
J.
Wang
,
X. H.
Chen
, and
Y.
Zhang
,
Nature
563
,
94
(
2018
).
7.
A. F.
May
,
D.
Ovchinnikov
,
Q.
Zheng
,
R.
Hermann
,
S.
Calder
,
B.
Huang
,
Z.
Fei
,
Y.
Liu
,
X.
Xu
, and
M. A.
McGuire
,
ACS Nano
13
,
4436
(
2019
).
8.
H.
Li
,
S.
Ruan
, and
Y. J.
Zeng
,
Adv. Mater.
31
,
1900065
(
2019
).
9.
M.
Bonilla
,
S.
Kolekar
,
Y.
Ma
,
H. C.
Diaz
,
V.
Kalappattil
,
R.
Das
,
T.
Eggers
,
H. R.
Gutierrez
,
M. H.
Phan
, and
M.
Batzill
,
Nat. Nanotechnol.
13
,
289
(
2018
).
10.
F.
Zhang
,
B.
Zheng
,
A.
Sebastian
,
D. H.
Olson
,
M.
Liu
,
K.
Fujisawa
,
Y. T. H.
Pham
,
V. O.
Jimenez
,
V.
Kalappattil
,
L.
Miao
,
T.
Zhang
,
R.
Pendurthi
,
Y.
Lei
,
A. L.
Elías
,
Y.
Wang
,
N.
Alem
,
P. E.
Hopkins
,
S.
Das
,
V. H.
Crespi
,
M.-H.
Phan
, and
M.
Terrones
,
Adv. Sci.
7
,
2001174
(
2020
).
11.
S. J.
Yun
,
D. L.
Duong
,
D. M.
Ha
,
K.
Singh
,
T. L.
Phan
,
W.
Choi
,
Y.
Kim
, and
Y. H.
Lee
,
Adv. Sci.
7
,
1903076
(
2020
).
12.
Y. T. H.
Pham
,
M.
Liu
,
V. O.
Jimenez
,
Z.
Yu
,
V.
Kalappattil
,
F.
Zhang
,
K.
Wang
,
T.
Williams
,
M.
Terrones
, and
M.
Phan
,
Adv. Mater.
32
,
2003607
(
2020
).
13.
K.
Uchida
,
S.
Takahashi
,
K.
Harii
,
J.
Ieda
,
W.
Koshibae
,
K.
Ando
,
S.
Maekawa
, and
E.
Saitoh
,
Nature
455
,
778
(
2008
).
14.
K.
Uchida
,
J.
Xiao
,
H.
Adachi
,
J.
Ohe
,
S.
Takahashi
,
J.
Ieda
,
T.
Ota
,
Y.
Kajiwara
,
H.
Umezawa
,
H.
Kawai
,
G. E. W.
Bauer
,
S.
Maekawa
, and
E.
Saitoh
,
Nat. Mater.
9
,
894
(
2010
).
15.
G. E. W. W.
Bauer
,
E.
Saitoh
, and
B. J.
Van Wees
,
Nat. Mater.
11
,
391
(
2012
).
16.
D.
Tian
,
Y.
Li
,
D.
Qu
,
X.
Jin
, and
C. L.
Chien
,
Appl. Phys. Lett.
106
,
212407
(
2015
).
17.
K. I.
Uchida
,
H.
Adachi
,
T.
Ota
,
H.
Nakayama
,
S.
Maekawa
, and
E.
Saitoh
,
Appl. Phys. Lett.
97
,
172505
(
2010
).
18.
D.
Kikuchi
,
M.
Ishida
,
K.
Uchida
,
Z.
Qiu
,
T.
Murakami
, and
E.
Saitoh
,
Appl. Phys. Lett.
106
,
082401
(
2015
).
19.
H.
Yuasa
,
K.
Tamae
, and
N.
Onizuka
,
AIP Adv.
7
,
055928
(
2017
).
20.
C.
Du
,
H.
Wang
,
F.
Yang
, and
P. C.
Hammel
,
Phys. Rev. Appl.
1
,
044004
(
2014
).
21.
W.
Lin
,
K.
Chen
,
S.
Zhang
, and
C. L.
Chien
,
Phys. Rev. Lett.
116
,
186601
(
2016
).
22.
V.
Kalappattil
,
R.
Geng
,
R.
Das
,
M.
Pham
,
H.
Luong
,
T.
Nguyen
,
A.
Popescu
,
L. M.
Woods
,
M.
Kläui
,
H.
Srikanth
, and
M. H.
Phan
,
Mater. Horiz.
7
,
1413
(
2020
).
23.
M.
Weiler
,
M.
Althammer
,
M.
Schreier
,
J.
Lotze
,
M.
Pernpeintner
,
S.
Meyer
,
H.
Huebl
,
R.
Gross
,
A.
Kamra
,
J.
Xiao
,
Y. T.
Chen
,
H.
Jiao
,
G. E. W.
Bauer
, and
S. T. B.
Goennenwein
,
Phys. Rev. Lett.
111
,
176601
(
2013
).
24.
Y.
Khan
,
S. M.
Obaidulla
,
M. R.
Habib
,
A.
Gayen
,
T.
Liang
,
X.
Wang
, and
M.
Xu
,
Nano Today
34
,
100902
(
2020
).
25.
J.
Wang
,
I.
Verzhbitskiy
, and
G.
Eda
,
Adv. Mater.
30
,
1802687
(
2018
).
26.
D. L.
Duong
,
S. J.
Yun
, and
Y. H.
Lee
,
ACS Nano
11
,
11803
(
2017
).
27.
A.
Rodin
, “Two-dimensional semiconductor transition metal dichalcogenides: Basic properties,” in
2D Semiconductor Materials and Devices
(Elsevier,
2020
), Chap. 1, pp. 1–23.
28.
S.
Zhao
,
X.
Li
,
B.
Dong
,
H.
Wang
,
H.
Wang
,
Y.
Zhang
,
Z.
Han
, and
H.
Zhang
,
Rep. Prog. Phys.
84
,
026401
(
2021
).
29.
G.
Dastgeer
,
M. A.
Shehzad
, and
J.
Eom
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
11
,
48533
(
2019
).
30.
S.
Lee
,
W.
Lee
,
T.
Kikkawa
,
C. T.
Le
,
M.
Kang
,
G.
Kim
,
A. D.
Nguyen
,
Y. S.
Kim
,
N.
Park
, and
E.
Saitoh
,
Adv. Funct. Mater.
30
,
2003192
(
2020
).
31.
W.-Y.
Lee
,
N.-W.
Park
,
M.-S.
Kang
,
G.-S.
Kim
,
H. W.
Jang
,
E.
Saitoh
, and
S.-K.
Lee
,
J. Phys. Chem. Lett.
11
,
5338
(
2020
).
32.
C.
Zhao
,
T.
Norden
,
P.
Zhang
,
P.
Zhao
,
Y.
Cheng
,
F.
Sun
,
J. P.
Parry
,
P.
Taheri
,
J.
Wang
,
Y.
Yang
,
T.
Scrace
,
K.
Kang
,
S.
Yang
,
G.
Miao
,
R.
Sabirianov
,
G.
Kioseoglou
,
W.
Huang
,
A.
Petrou
, and
H.
Zeng
,
Nat. Nanotechnol.
12
,
757
(
2017
).
33.
I.
Žutić
,
A.
Matos-Abiague
,
B.
Scharf
,
H.
Dery
, and
K.
Belashchenko
,
Mater. Today
22
,
85
(
2019
).
34.
W.-Y.
Lee
,
M.-S.
Kang
,
G.-S.
Kim
,
N.-W.
Park
,
K.-Y.
Choi
,
C. T.
Le
,
M. U.
Rashid
,
E.
Saitoh
,
Y. S.
Kim
, and
S.-K.
Lee
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
13
,
15783
(
2021
).
35.
D.
Li
,
Y.
Gong
,
Y.
Chen
,
J.
Lin
,
Q.
Khan
,
Y.
Zhang
,
Y.
Li
,
H.
Zhang
, and
H.
Xie
,
Nano-Micro Lett.
12
,
36
(
2020
).
36.
K.
UCHIDA
,
Proc. Jpn. Acad. Ser. B
97
,
69
(
2021
).
37.
D.
Zhong
,
K. L.
Seyler
,
X.
Linpeng
,
R.
Cheng
,
N.
Sivadas
,
B.
Huang
,
E.
Schmidgall
,
T.
Taniguchi
,
K.
Watanabe
,
M. A.
McGuire
,
W.
Yao
,
D.
Xiao
,
K.-M. C.
Fu
, and
X.
Xu
,
Sci. Adv.
3
,
e1603113
(
2017
).
38.
V. O.
Jimenez
,
Y. T. H.
Pham
,
M.
Liu
,
F.
Zhang
,
Z.
Yu
,
V.
Kalappattil
,
B.
Muchharla
,
T.
Eggers
,
D. L.
Duong
,
M.
Terrones
, and
M.-H.
Phan
,
Adv. Electron. Mater.
7
,
2100030
(
2021
).
39.
J.
Wang
,
Y. K.
Takahashi
, and
K.
Uchida
,
Nat. Commun.
11
,
2
(
2020
).
40.
J.
Walowski
and
M.
Münzenberg
,
J. Appl. Phys.
120
,
140901
(
2016
).
41.
A. V.
Kimel
and
M.
Li
,
Nat. Rev. Mater.
4
,
189
(
2019
).
42.
E.
Beaurepaire
,
J.-C. C.
Merle
,
A.
Daunois
, and
J.-Y. Y.
Bigot
,
Phys. Rev. Lett.
76
,
4250
(
1996
).
43.
A.
Kirilyuk
,
A. V.
Kimel
, and
T.
Rasing
,
Rev. Mod. Phys.
82
,
2731
(
2010
).
44.
D.
Ellsworth
,
L.
Lu
,
J.
Lan
,
H.
Chang
,
P.
Li
,
Z.
Wang
,
J.
Hu
,
B.
Johnson
,
Y.
Bian
,
J.
Xiao
,
R.
Wu
, and
M.
Wu
,
Nat. Phys.
12
,
861
(
2016
).
45.
H.
Qiu
,
L.
Zhou
,
C.
Zhang
,
J.
Wu
,
Y.
Tian
,
S.
Cheng
,
S.
Mi
,
H.
Zhao
,
Q.
Zhang
,
D.
Wu
,
B.
Jin
,
J.
Chen
, and
P.
Wu
,
Nat. Phys.
17
,
388
(
2021
).
46.
T. S.
Seifert
,
S.
Jaiswal
,
J.
Barker
,
S. T.
Weber
,
I.
Razdolski
,
J.
Cramer
,
O.
Gueckstock
,
S. F.
Maehrlein
,
L.
Nadvornik
,
S.
Watanabe
,
C.
Ciccarelli
,
A.
Melnikov
,
G.
Jakob
,
M.
Münzenberg
,
S. T. B.
Goennenwein
,
G.
Woltersdorf
,
B.
Rethfeld
,
P. W.
Brouwer
,
M.
Wolf
,
M.
Kläui
, and
T.
Kampfrath
,
Nat. Commun.
9
,
2899
(
2018
).
47.
L.
Cheng
,
Z.
Li
,
D.
Zhao
, and
E. E. M.
Chia
,
APL Mater.
9
,
070902
(
2021
).
48.
J.
Kimling
,
G.-M. M.
Choi
,
J. T.
Brangham
,
T.
Matalla-Wagner
,
T.
Huebner
,
T.
Kuschel
,
F.
Yang
, and
D. G.
Cahill
,
Phys. Rev. Lett.
118
,
057201
(
2017
).
49.
R.
McLaughlin
,
D.
Sun
,
C.
Zhang
,
M.
Groesbeck
, and
Z. V.
Vardeny
,
Phys. Rev. B
95
,
180401
(
2017
).
50.
T.
Zhang
,
Y.
Chen
,
Y.
Li
,
Z.
Guo
,
Z.
Wang
,
Z.
Han
,
W.
He
, and
J.
Zhang
,
Appl. Phys. Lett.
116
,
223103
(
2020
).
51.
L. K.
Werake
and
H.
Zhao
,
Nat. Phys.
6
,
875
(
2010
).
52.
L.
Chotorlishvili
,
Z.
Toklikishvili
,
X.-G.
Wang
,
V. K.
Dugaev
,
J.
Barnásbarnás
, and
J.
Berakdar
,
Phys. Rev. B
102
,
24413
(
2020
).
53.
S. Y.
Huang
,
X.
Fan
,
D.
Qu
,
Y. P.
Chen
,
W. G.
Wang
,
J.
Wu
,
T. Y.
Chen
,
J. Q.
Xiao
, and
C. L.
Chien
,
Phys. Rev. Lett.
109
,
107204
(
2012
).
54.
M.
Schmid
,
S.
Srichandan
,
D.
Meier
,
T.
Kuschel
,
J.-M.
Schmalhorst
,
M.
Vogel
,
G.
Reiss
,
C.
Strunk
, and
C. H.
Back
,
Phys. Rev. Lett.
111
,
187201
(
2013
).
55.
G.-M.
Choi
and
D. G.
Cahill
,
Phys. Rev. B
90
,
214432
(
2014
).
56.
L.
Vila
,
T.
Kimura
, and
Y.
Otani
,
Phys. Rev. Lett.
99
,
226604
(
2007
).
57.
F. J.
Jedema
,
A. T.
Filip
, and
B. J.
van Wees
,
Nature
410
,
345
(
2001
).
58.
K. F.
Mak
,
K.
He
,
J.
Shan
, and
T. F.
Heinz
,
Nat. Nanotechnol.
7
,
494
(
2012
).
59.
L.
Yang
,
W.
Chen
,
K. M.
McCreary
,
B. T.
Jonker
,
J.
Lou
, and
S. A.
Crooker
,
Nano Lett.
15
,
8250
(
2015
).
60.
L.
Yang
,
N. A.
Sinitsyn
,
W.
Chen
,
J.
Yuan
,
J.
Zhang
,
J.
Lou
, and
S. A.
Crooker
,
Nat. Phys.
11
,
830
(
2015
).
61.
E. J.
McCormick
,
M. J.
Newburger
,
Y. K.
Luo
,
K. M.
McCreary
,
S.
Singh
,
I. B.
Martin
,
E. J.
Cichewicz
,
B. T.
Jonker
, and
R. K.
Kawakami
,
2D Mater.
5
,
011010
(
2017
).
62.
X.
Song
,
S.
Xie
,
K.
Kang
,
J.
Park
, and
V.
Sih
,
Nano Lett.
16
,
5010
(
2016
).
63.
W.-T.
Hsu
,
Y.-L.
Chen
,
C.-H.
Chen
,
P.-S.
Liu
,
T.-H.
Hou
,
L.-J.
Li
, and
W.-H.
Chang
,
Nat. Commun.
6
,
8963
(
2015
).
64.
F.
Volmer
,
S.
Pissinger
,
M.
Ersfeld
,
S.
Kuhlen
,
C.
Stampfer
, and
B.
Beschoten
,
Phys. Rev. B
95
,
235408
(
2017
).
65.
W. a
Tisdale
,
K. J.
Williams
,
B. a
Timp
,
D. J.
Norris
,
E. S.
Aydil
, and
X.-Y.
Zhu
,
Science
328
,
1543
(
2010
).
66.
M. T.
Trinh
,
G.
Smail
,
K.
Makhal
,
D. S.
Yang
,
J.
Kim
, and
S. C.
Rand
,
Nat. Commun.
11
,
5296
(
2020
).
67.
J.
Wang
,
B.-F.
Zhu
, and
R.-B.
Liu
,
Phys. Rev. Lett.
104
,
256601
(
2010
).
68.
B.
Marfoua
,
I.
Khan
, and
J.
Hong
,
Nanotechnology
31
,
455404
(
2020
).
69.
B.
Marfoua
and
J.
Hong
,
Phys. E: Low-Dimens. Syst. Nanostruct.
126
,
114443
(
2021
).
70.
X.
Tan
,
L.
Ding
,
G. F.
Du
, and
H. H.
Fu
,
Phys. Rev. B
103
,
115415
(
2021
).
71.
N.
Ito
,
T.
Kikkawa
,
J.
Barker
,
D.
Hirobe
,
Y.
Shiomi
, and
E.
Saitoh
,
Phys. Rev. B
100
,
060402
(
2019
).
72.
T.
Liu
,
J.
Peiro
,
D. K.
De Wal
,
J. C.
Leutenantsmeyer
,
M. H. D.
Guimarães
, and
B. J.
Van Wees
,
Phys. Rev. B
101
,
205407
(
2020
).
You do not currently have access to this content.