山西師范大學(xué) 許小紅教授課題組(嚴(yán)志博士和董新龍副教授合作)

01 引言

隨著當(dāng)前對(duì)更快、更小和非易失性電子產(chǎn)品的需求不斷增加，傳統(tǒng)的硅基半導(dǎo)體器件正被推向更小的尺寸。近年來，2D范德華(vdW)多鐵隧道結(jié)(MFTJ)器件因其重要的多功能技術(shù)應(yīng)用脫穎而出，它結(jié)合了磁性隧道結(jié)(MTJ)的隧道磁阻(TMR)效應(yīng)和鐵電隧道結(jié)(FTJ)的隧穿電阻(TER)效應(yīng)。科學(xué)雜志2021年第372期的兩篇文章(分別為“Science 2021, 372, 1458”和“Science 2021, 372, 1462”)報(bào)道了雙層六方氮化硼(BBN)中的鐵電極化及其新型滑移反轉(zhuǎn)機(jī)制的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這為范德華多鐵隧道結(jié)的進(jìn)一步發(fā)展開辟了新的發(fā)展策略。截至當(dāng)前，利用范德華滑移鐵電材料與二維磁性材料構(gòu)建多鐵隧道結(jié)目前還沒有報(bào)到，這值得實(shí)驗(yàn)和理論進(jìn)一步的探究。

02 成果簡介

本課題我們利用基于非平衡格林函數(shù)和密度泛函理論的鴻之微自主版權(quán)計(jì)算軟件Nanodcal，研究了FGT/Gr-BBN-Gr/CrI多鐵性隧道結(jié)的自旋極化的電子輸運(yùn)特性。該隧道結(jié)表現(xiàn)出四種非易失性阻態(tài)，與滑移鐵電BBN的不同堆疊方式和鐵磁自由層CrI3的磁化方向有關(guān)。該MFTJ在某一特定偏壓下，TMR(TER)可以高達(dá)3.36×104%(6.68×103%)。此外，該隧道結(jié)還表現(xiàn)出幾乎完美的自旋過濾和顯著的負(fù)微分電阻效應(yīng)。我們還發(fā)現(xiàn)，通過施加面內(nèi)雙軸應(yīng)力，可以提高平衡態(tài)下的TMR、TER和自旋極化率。本文的研究結(jié)果表明基于滑移鐵電BBN的多鐵性隧道結(jié)在非易失性存儲(chǔ)器中的應(yīng)用有著巨大的潛力，其擁有巨大的隧穿電阻比、多重電阻態(tài)和優(yōu)異的自旋極化輸運(yùn)特性。

03 圖文導(dǎo)讀

圖1 (a-c)FGT/h-BN/CrI-Gr中各種界面的總能量與不同堆疊方式的關(guān)系函數(shù);(d)FGT/Gr-BBN-Gr/CrI多鐵性隧道結(jié)器件的示意圖。

圖2 FGT/Gr-BBN-Gr/CrI多鐵性隧道結(jié)中心散射區(qū)的差電荷密度圖;(a)沒有單層石墨烯;(b)有單層石墨烯。

圖3 平衡態(tài)下FGT/Gr-BBN-Gr/CrI隧道結(jié)沿輸運(yùn)方向在中心散射區(qū)域xy平面上的實(shí)空間PDOS分布。(a-d)AB堆疊;(e-h)BA堆疊。

圖4 FGT/Gr-BBN-Gr/CrI隧道結(jié)中心散射區(qū)的庫倫勢(shì)能沿輸運(yùn)方向的分布。(a)AB堆疊;(b)BA堆疊。

圖5 FGT/Gr-BBN-Gr/CrI隧道結(jié)在費(fèi)米能級(jí)處的二維布里淵區(qū)內(nèi)的電子透射譜。(a-b)AB堆疊;(c-d)BA堆疊。

圖6 不同堆疊方式下的FGT/Gr-BBN-Gr /CrI多鐵隧道結(jié)的(a)TMR、(b)TER和(c-d)自旋極化率作為面內(nèi)雙軸應(yīng)力的函數(shù)。

圖7 FGT/ Gr-BBN-Gr /CrI多鐵隧道結(jié)在不同堆疊方式下的電流(a)、(b)、(e)和(f)、自旋注入效率(c)和(g)以及TMR值(d)和TER值(h)隨偏壓的演化。

圖8 FGT/Gr-BBN-Gr/CrI隧道結(jié)在二維布里淵區(qū)內(nèi)自旋分辨的電子透射譜(a)、(b)、(d)和(e)，以及在偏壓下的透射系數(shù)作為能量的函數(shù)(c)和(f);(a)~(c) ?0.2V;(d)~(f)0.2 V。

04 小結(jié)

本文基于第一性原理計(jì)算研究了 FGT/Gr-BBN-Gr/CrI 多鐵性隧道結(jié)的自旋極化的電子輸運(yùn)特性。我們發(fā)現(xiàn)了該隧道結(jié)中四種非易失性電阻狀態(tài)，以及通過施加偏壓或面內(nèi)雙軸應(yīng)變可以調(diào)控這些阻態(tài)。在偏壓為 ?0.2 V (0.2 V) 時(shí)，達(dá)到的最大TMR (TER)值，為 3.36×104% (6.68×103%)。此外，還觀察到完美的自旋過濾和負(fù)微分電阻效應(yīng)。研究結(jié)果揭示了二維范德華鐵磁體和滑移鐵電體在原子級(jí)自旋電子學(xué)器件中具有重要的應(yīng)用潛力，為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)新型范德華多鐵隧道結(jié)提供了有益的理論向?qū)А?/p>

審核編輯：湯梓紅