We report a CrISe monolayer as a room temperature ferromagnetic (FM) semiconductor with the Curie temperature (TC), magnetic anisotropy energy (MAE), and bandgap being 322 K, 113 μeV, and 1.76 eV, respectively. The TC and MAE can be further enhanced up to 385 K and 313 μeV by a tensile strain. Interestingly, the magnetic easy axis can be switched between off-plane and in-plane by compressive strain. Particularly, due to the broken inversion symmetry and strong spin–orbital coupling of Se atoms, a large Dzyaloshinskii–Moriya interaction (DMI) of 2.40 meV is obtained. More importantly, by micromagnetic simulations, stable skyrmions with sub-10 nm radius are stabilized by the large DMI above room temperature in a wide range of strain from −2% to 6%. Our work demonstrates CrISe as a promising candidate for next-generation skyrmion-based information storage devices and provides guidance for the research of DMI and skyrmions in room temperature FM semiconductors.

1.
M.
Mcguire
,
H.
Dixit
, and
V.
Cooper
,
Chem. Mater.
27
,
612
(
2015
).
2.
B.
Huang
,
G.
Clark
, and
E.
Navarro-Moratalla
,
Nature
546
,
270
(
2017
).
3.
L.
Webster
and
J.-A.
Yan
,
Phys. Rev. B
98
,
144411
(
2018
).
4.
Z.
Wang
,
T.
Zhang
,
M.
Ding
,
B.
Dong
,
Y.
Li
,
M.
Chen
,
X.
Li
,
J.
Huang
,
H.
Wang
,
X.
Zhao
,
Y.
Li
,
D.
Li
,
C.
Jia
,
L.
Sun
,
H.
Guo
,
Y.
Ye
,
D.
Sun
,
Y.
Chen
,
T.
Yang
,
J.
Zhang
,
S.
Ono
,
Z.
Han
, and
Z.
Zhang
,
Nat. Nanotechnol.
13
,
554
559
(
2018
).
5.
Z.
Hao
,
H.
Li
,
S.
Zhang
,
X.
Li
,
G.
Lin
,
X.
Luo
,
Y.
Sun
,
Z.
Liu
, and
Y.
Wang
,
Sci. Bull.
63
,
825
(
2018
).
6.
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
).
7.
N.
Tu
,
P.
Hai
, and
L.
Anh
,
Appl. Phys. Lett.
108
,
192401
(
2016
).
8.
J.
Furdyna
,
J. Appl. Phys.
64
,
R29
(
1988
).
9.
G.
Dalpian
,
S.-H.
Wei
, and
X.
Gong
,
Solid State Commun.
138
,
353
(
2006
).
10.
F.
Pan
,
C.
Song
, and
X.
Liu
,
Mater. Sci. Eng., R
62
(
1
),
1–35
(
2008
).
11.
K.
Sato
,
L.
Bergqvist
,
J.
Kudrnovsky
,
P. H.
Dederichs
,
O.
Eriksson
,
I.
Turek
,
B.
Sanyal
,
G.
Bouzerar
,
H.
Katayama-Yoshida
,
V. A.
Dinh
,
T.
Fukushima
,
H.
Kizaki
, and
R.
Zeller
,
Rev. Mod. Phys.
82
,
1633
(
2010
).
12.
T.
Dietl
,
Nat. Mater.
9
,
965
(
2010
).
13.
C.
Wang
,
X.
Zhou
,
L.
Zhou
,
N.-H.
Tong
,
Z.-Y.
Lu
, and
W.
Ji
,
Sci. Bull.
64
,
293
(
2019
).
14.
Z.
Jiang
,
P.
Wang
,
J.
Xing
,
X.
Jiang
, and
J.
Zhao
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
10
,
39032
(
2018
).
15.
S.-H.
Wei
and
G. M.
Dalpian
, in
Proceedings of the Integrated Optoelectronic Devices
(
SPIE
,
2008
), pp.
85
95
.
16.
R.
Bouzerar
,
G.
Bouzerar
, and
T.
Ziman
,
Europhys. Lett.
78
,
67003
(
2007
).
17.
L.
Chen
,
X.
Yang
, and
F.
Yang
,
Nano Lett.
11
,
2584
(
2011
).
18.
I.
Zutic
and
T.
Zhou
,
Sci. China Phys. Mech. Astron.
61
,
67031
(
2018
).
19.
M.
Bonilla
,
S.
Kolekar
, and
Y.
Ma
,
Nat. Nanotechnol.
13
,
289
(
2018
).
20.
Z.
Liu
,
X.
Wu
, and
Y.
Shao
,
Sci. Bull.
63
,
419
(
2018
).
21.
C.
Tan
,
J.
Lee
, and
S.-G.
Jung
,
Nat. Commun.
9
,
1554
(
2018
).
22.
Y.
Deng
,
Y.
Yu
, and
Y.
Song
,
Nature
563
,
94
(
2018
).
23.
Z.
Fei
,
B.
Huang
, and
P.
Malinowski
,
Nat. Mater.
17
,
778
(
2018
).
24.
D.
Wu
,
Z.
Zhuo
,
H.
Lv
, and
X.
Wu
,
J Phys. Chem. Lett.
12
,
2905
2911
(
2021
).
25.
B.
Göbel
,
I.
Mertig
, and
O. A.
Tretiakov
,
Phys. Rep.
895
,
1–28
(
2021
).
26.
Y.
Liu
,
Z. H.
Qian
, and
J. G.
Zhu
,
Acta Phys. Sin.
69
,
231201
(
2020
).
27.
Y.-Z.
Liu
and
J.
Zang
,
Acta Phys. Sin.
67
,
131201
(
2018
).
28.
M.
Hoffmann
,
B.
Zimmermann
,
G. P.
Muller
,
D.
Schurhoff
,
N. S.
Kiselev
,
C.
Melcher
, and
S.
Blugel
,
Nat. Commun.
8
,
308
(
2017
).
29.
M.
Mochizuki
and
S.
Seki
,
Phys. Rev. B
87
,
134403
(
2013
).
30.
Z.-P.
Hou
,
B.
Ding
,
H.
Li
,
G.-Z.
Xu
,
W.-H.
Wang
, and
G.-H.
Wu
,
Acta Phys. Sin.
67
,
137509
(
2018
).
31.
S. S.
Parkin
,
M.
Hayashi
, and
L.
Thomas
,
Science
320
,
190
(
2008
).
32.
X.
Zhang
,
Y.
Zhou
,
K.
Mee Song
,
T. E.
Park
,
J.
Xia
,
M.
Ezawa
,
X.
Liu
,
W.
Zhao
,
G.
Zhao
, and
S.
Woo
,
J. Phys.: Condens. Matter
32
,
143001
(
2020
).
33.
J.
Wang
,
M.
Strungaru
,
S.
Ruta
,
A.
Meo
,
Y.
Zhou
,
A.
Deak
,
L.
Szunyogh
,
P.-I.
Gavriloaea
,
R.
Moreno
,
O.
Chubykalo-Fesenko
,
J.
Wu
,
Y.
Xu
,
R. F. L.
Evans
, and
R. W.
Chantrell
,
Phys. Rev. B
104
,
054420
(
2021
).
34.
Y.
Wu
,
H.
Wen
,
W.
Chen
, and
Y.
Zheng
,
Phys. Rev. Lett.
127
,
097201
(
2021
).
35.
A.
Fert
,
V.
Cros
, and
J.
Sampaio
,
Nat. Nanotechnol.
8
,
152
(
2013
).
36.
X.
Yu
,
F.
Kagawa
,
S.
Seki
,
M.
Kubota
,
J.
Masell
,
F. S.
Yasin
,
K.
Nakajima
,
M.
Nakamura
,
M.
Kawasaki
,
N.
Nagaosa
, and
Y.
Tokura
,
Nat. Commun.
12
,
5079
(
2021
).
37.
I.
Dzyaloshinsky
,
J. Phys. Chem. Solids
4
,
241
(
1958
).
38.
T.
Moriya
,
Phys. Rev.
120
,
91
(
1960
).
39.
N.
Nagaosa
and
Y.
Tokura
,
Nat. Nanotechnol.
8
,
899
(
2013
).
40.
A.
Belabbes
,
G.
Bihlmayer
,
F.
Bechstedt
,
S.
Blugel
, and
A.
Manchon
,
Phys. Rev. Lett.
117
,
247202
(
2016
).
41.
H.
Yang
,
A.
Thiaville
,
S.
Rohart
,
A.
Fert
, and
M.
Chshiev
,
Phys. Rev. Lett.
115
,
267210
(
2015
).
42.
H.
Yang
,
G.
Chen
,
A. A. C.
Cotta
,
A. T.
N'Diaye
,
S. A.
Nikolaev
,
E. A.
Soares
,
W. A. A.
Macedo
,
K.
Liu
,
A. K.
Schmid
,
A.
Fert
, and
M.
Chshiev
,
Nat. Mater.
17
,
605
(
2018
).
43.
M. G.
Morshed
,
K. H.
Khoo
,
Y.
Quessab
,
J.-W.
Xu
,
R.
Laskowski
,
P. V.
Balachandran
,
A. D.
Kent
, and
A. W.
Ghosh
,
Phys. Rev. B
103
,
174414
(
2021
).
44.
J.
Liang
,
W.
Wang
,
H.
Du
,
A.
Hallal
,
K.
Garcia
,
M.
Chshiev
,
A.
Fert
, and
H.
Yang
,
Phys. Rev. B
101
,
184401
(
2020
).
45.
Q.
Cui
,
J.
Liang
,
Z.
Shao
,
P.
Cui
, and
H.
Yang
,
Phys. Rev. B
102
,
094425
(
2020
).
46.
C.
Xu
,
J.
Feng
,
S.
Prokhorenko
,
Y.
Nahas
,
H.
Xiang
, and
L.
Bellaiche
,
Phys. Rev. B
101
,
060404(R)
(
2020
).
47.
Y.
Zhang
,
C.
Xu
,
P.
Chen
,
Y.
Nahas
,
S.
Prokhorenko
, and
L.
Bellaiche
,
Phys. Rev. B
102
,
241107(R)
(
2020
).
48.
S.
Qi
,
J.
Jiang
, and
W.
Mi
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
22
,
23597
23608
(
2020
).
49.
J.
Jiang
,
X.
Liu
,
R.
Li
, and
W.
Mi
,
Appl. Phys. Lett.
119
,
072401
(
2021
).
50.
G.
Kresse
and
J.
Furthmuller
,
Phys. Rev. B
54
,
11169
(
1996
).
51.
G.
Kresse
and
J.
Furthmüller
,
Comput. Mater. Sci.
6
,
15
(
1996
).
52.
G.
Kresse
and
J.
Hafner
,
Phys. Rev. B
49
,
14251
(
1994
).
53.
G.
Kresse
and
J.
Hafner
,
Phys. Rev. B
47
,
558
(
1993
).
54.
J. P.
Perdew
,
K.
Burke
, and
M.
Ernzerhof
,
Phys. Rev. Lett.
77
,
3865
(
1996
).
55.
S. L.
Dudarev
,
G. A.
Botton
,
S. Y.
Savrasov
,
C. J.
Humphreys
, and
A. P.
Sutton
,
Phys. Rev. B
57
,
1505
(
1998
).
56.
M.
Pizzochero
and
O. V.
Yazyev
,
J. Phys. Chem. C
124
,
7585
(
2020
).
57.
A.
Togo
,
F.
Oba
, and
I.
Tanaka
,
Phys. Rev. B
78
,
134106
(
2008
).
58.
A.
Togo
and
I.
Tanaka
,
Scr. Mater
108
,
1–5
(
2015
).
59.
G. P.
Müller
,
M.
Hoffmann
,
C.
Dißelkamp
,
D.
Schürhoff
,
S.
Mavros
,
M.
Sallermann
,
N. S.
Kiselev
,
H.
Jónsson
, and
S.
Blügel
,
Phys. Rev. B
99
,
224414
(
2019
).
60.
L. D.
Landau
and
E. M.
Lifshitz
,
Phys. Z. Sowjetunion
8
,
51
(
1935
).
61.
T. L.
Gilbert
,
IEEE Trans. Magn.
40
,
3443
(
2004
).
62.
L.
Liu
,
X.
Ren
,
J.
Xie
,
B.
Cheng
,
W.
Liu
,
T.
An
,
H.
Qin
, and
J.
Hu
,
Appl. Surf. Sci.
480
,
300
(
2019
).
63.
J.
Liu
,
M.
Shi
,
J.
Lu
, and
M. P.
Anantram
,
Phys. Rev. B
97
,
054416
(
2018
).
64.
Z.
Shen
,
C.
Song
,
Y.
Xue
,
Z.
Wu
,
J.
Wang
, and
Z.
Zhong
,
Phys. Rev. B
106
,
094403
(
2022
).
65.
J.
Heyd
,
G. E.
Scuseria
, and
M.
Ernzerhof
,
J. Chem. Phys.
118
,
8207
(
2003
).
66.
K.
Sato
,
W.
Schweika
,
P. H.
Dederichs
, and
H.
Katayama-Yoshida
,
Phys. Rev. B
70
,
201202(R)
(
2004
).
67.
Y.
Xue
,
Z.
Shen
,
Z.
Wu
, and
C.
Song
,
J. Appl. Phys.
132
,
053901
(
2022
).
68.
Z.
Wu
,
Z.
Shen
,
Y.
Xue
, and
C.
Song
,
Phys. Rev. Mater.
6
,
014011
(
2022
).
69.
Y.
Guo
,
B.
Wang
,
X.
Zhang
,
S.
Yuan
,
L.
Ma
, and
J.
Wang
,
InfoMat
2
,
639
(
2020
).
70.
X.
Li
and
J.
Yang
,
J. Am. Chem. Soc.
141
,
109
(
2019
).
71.
J. B.
Goodenough
,
Phys. Rev.
100
,
564
(
1955
).
72.
J.
Kanamori
,
J. Phys. Chem. Solids
10
,
87
(
1959
).
73.
P. W.
Anderson
,
Phys. Rev.
115
,
2
(
1959
).
74.
M. A.
Subramanian
,
A. P.
Ramirez
, and
W. J.
Marshall
,
Phys. Rev. Lett.
82
,
1558
(
1999
).
75.
J. L.
Lado
and
J.
Fernandez-Rossier
,
2D Mater.
4
,
035002
(
2017
).
76.
T. A.
Tartaglia
,
J. N.
Tang
,
J. L.
Lado
,
F.
Bahrami
,
M.
Abramchuk
,
G. T.
McCandless
,
M. C.
Doyle
,
K. S.
Burch
,
Y.
Ran
,
J. Y.
Chan
, and
F.
Tafti
,
Sci. Adv.
6
,
eabb9379
(
2020
).
77.
N. D.
Mermin
and
H.
Wagner
,
Phys. Rev. Lett.
17
,
1133
(
1966
).
78.
G. H. O.
Daalderop
,
P. J.
Kelly
, and
M. F. H.
Schuurmans
,
Phys. Rev. B
41
,
11919
(
1990
).
79.
D.-s.
Wang
,
R.
Wu
, and
A. J.
Freeman
,
Phys. Rev. B
47
,
14932
(
1993
).
80.
B. S.
Yang
,
J.
Zhang
,
L. N.
Jiang
,
W. Z.
Chen
,
P.
Tang
,
X.-G.
Zhang
,
Y.
Yan
, and
X. F.
Han
,
Phys. Rev. B
95
,
174424
(
2017
).
81.
A.
Fert
and
P. M.
Levy
,
Phys. Rev. Lett.
44
,
1538
(
1980
).
82.
B.
Berg
and
M.
Lüscher
,
Nucl. Phys. B
190
,
412
(
1981
).
83.
G.
Yin
,
Y.
Li
,
L.
Kong
,
R. K.
Lake
,
C. L.
Chien
, and
J.
Zang
,
Phys. Rev. B
93
,
174403
(
2016
).
84.
L.
Rozsa
,
E.
Simon
,
K.
Palotas
,
L.
Udvardi
, and
L.
Szunyogh
,
Phys. Rev. B
93
,
024417
(
2016
).
85.
W.
Du
,
K.
Dou
,
Z.
He
,
Y.
Dai
,
B.
Huang
, and
Y.
Ma
,
Nano Lett.
22
,
3440
(
2022
).
86.
J.
Yuan
,
Y.
Yang
,
Y.
Cai
,
Y.
Wu
,
Y.
Chen
,
X.
Yan
, and
L.
Shen
,
Phys. Rev. B
101
,
094420
(
2020
).
87.
Z.
Zeng
,
C.
Zhang
,
C.
Jin
,
J.
Wang
,
C.
Song
,
Y.
Ma
,
Q.
Liu
, and
J.
Wang
,
Appl. Phys. Lett.
117
,
172404
(
2020
).
88.
K.
Everschor-Sitte
,
J.
Masell
,
R. M.
Reeve
, and
M.
Klaeui
,
J. Appl. Phys.
124
,
240901
(
2018
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.