研究背景
过渡金属二硫化物（TMDCs）因其优异的电子和光学性能，成为各种应用中非常有前景的材料。这些材料的单层、少数层和块体多层结构可以通过各种方式进行合成，对材料的掺杂、缺陷工程和异质结构制备等技术还可以实现性能的定制。磁隧道结（MTJ）由两个被绝缘薄层隔开的铁磁电极组成。当铁磁电极的磁矩的平行（反平行）配置时，MTJ 表现出最小（最大）电阻，电阻的变化幅度可以以隧穿磁电阻（TMR）表示。在二进制术语中，这些电阻最小（最大）状态对应于 0/1。这些磁性比特的状态可以通过自旋转移力矩（STT）、自旋轨道力矩（SOT）或外部磁场来操纵。MTJ是自旋电子学的基本器件单元，主要用于读取和写入器件的磁性状态。其低功耗、大面积可扩展性、几乎无限的耐久性和非易失性使其适用于各种应用，如模数转换器、微波发生器、振荡器、磁传感器、非易失触发器、神经形态计算机、全加法器、基于自旋的 NANDS、自旋逻辑和磁随机存取存储器（MRAM）。
研究内容
作者研究了 Co/XY2/Co（X∈（Mo，W），Y∈（S，Se，Te））构成的高自旋极化电流的磁隧道结（MTJ）。密度泛函理论（DFT）用于计算基态电子性质，非平衡格林函数方法则用于量子输运计算。
对 2D（kx，ky）布里渊区中的波函数振幅衰减系数 κ 的计算表明，在所有这些二维半导体中，输运主要发生在远离 Γ 点、沿 Γ 到 M 的方向。
在使用各种材料构造的 MTJ 中，Co/MoS2/Co 结构在 E−EF = -0.29 eV 时获得了最高的 TMR 为 525%；Co/MoSe2/Co 结构在 E−EF=-0.28 eV 时，最高 TMR 为 2500%；在 Co/MoTe2/Co 的 E−EF=0.26 eV 时，最高 TMR 为 350%。在同向极化组态中，隧穿区会出现占主导地位的少数自旋电流。费米能级以上或以下 1 至 2 eV 之间会有较大的自旋极化电流。然而，此时的电流不再是隧穿电流，因为费米能级进入导带或价带，这将导致跳跃传导机制。
总结
作者探索了在磁隧道结中使用二硫化钼和二硫化钨作为绝缘层的可能性，为使用二维半导体作为隧道势垒实现高 TMR 和自旋极化电流提供了有价值的见解。这些 MTJ 显示出很强的 TMR 和主导的自旋极化电流，这有可能用在低功率自旋相关微电子/光电子应用领域中。作者发现，这些体系中的输运主要发生在远离 Γ 点的地方，可以获得的最高隧道磁阻（TMR）范围约为 500-3600%。同向极化组态中的所有 MTJ 在隧穿区都表现出主导的少数自旋电流。
参考
- Gokaran Shukla, Roshan Ali, and Aamir Shafique. ACS Applied Electronic Materials 2025 7 (1), 115-128. DOI: https://www.doi.org/10.1021/acsaelm.4c01583