研究背景 随着信息技术的发展，数据存储器件正朝着更高速度、更低功耗以及更高稳定性的方向演进。磁阻随机存储器（MRAM）由于能够同时满足这些需求，被认为是最有潜力的下一代非易失存储技术之一。MRAM的核心器件是磁隧穿结（magnetic tunnel junction, MTJ），其基本结构由两层磁性电极和中间的绝缘势垒层组成。当两侧电极的磁矩由平行变为反平行排列时，电子的隧穿概率会发生变化，从而导致器件电阻出现明显差异。这种由磁构型改变引起的电阻变化被称为隧穿磁阻（tunneling magnetoresistance, TMR），是评价 MTJ 性能的重要指标。 传统 MTJ 器件通常采用铁磁材料作为电极。然而，铁磁体具有宏观净磁矩，会产生杂散磁场，这在器件小型化和高密度集成过程中可能带来干扰，影响器件稳定性。另一方面，反铁磁材料虽然没有杂散磁场，但其电子结构通常缺乏明显的自旋极化特征，使得自旋输运能力较弱。近年来提出的交错磁（altermagnetism）为这一问题提供了新的解决思路。交错磁材料在磁结构上类似反铁磁体，没有宏观净磁矩，但其能带结构却呈现出类似铁磁体的自旋分裂特征，从而兼具两者的优势，为新型自旋电子器件的设计提供了新的可能。 研究内容 在磁隧穿结中，电子通过势垒层进行量子隧穿时需要同时满足自旋守恒和动量守恒，因此电极材料在费米能级处的自旋分辨费米面几何直接决定了平行（P）与反平行（AP）构型下的导电通道。如图  1所示，当两侧电极的导电通道在动量空间发生重叠时，AP 态仍存在可用的自旋简并通道，从而产生“漏电流”，并限制隧穿磁阻（TMR）的提升。理想情况下，若两种自旋的费米面能够完全分离，则反平行态的输运将被极大抑制，从而获得更高的磁阻效应。 基于这一物理机制，北京大学物理学院吕劲团队与新加坡科技设计大学 Yee Sin Ang 研究组合作，系统研究了交错磁材料中费米面结构对交错磁隧穿结（AMTJ）输运性质的影响。研究选取了三种已经在实验中成功合成的交错磁材料：V2Te2O、RbV2Te2O 和 KV2Se2O，并通过密度泛函理论结合第一性原理量子输运计算，对其器件输运性质进行了系统模拟。 研究发现，准层状材料 RbV2Te2O 和 KV2Se2O 在费米能级附近存在交错磁平带结构，这种平带会产生高度各向异性的准二维费米面。如图 2 所示，随着材料原子构成的变化，不同自旋导电通道在动量空间中的重叠区域逐渐减少。在 V2Te2O 中 为 Γ 点附近的延伸区域，在 RbV2Te2O 中缩小为弧形区域，而在 KV2Se2O 中则仅剩少数离散节点。后两者材料的这种费米面几何结构能够显著减少自旋通道的重叠，因此可以有效抑制反平行态下的隧穿电流，从而大幅提升器件的磁阻效应。 图 1：不同电极费米面形状对交错磁隧穿结输运性质的影响 图 2：（a）交错磁隧穿结（AMTJ）在平行（P）与反平行（AP）构型下的磁矩排列示意图；（b-d）分别为基于 V2Te2O、RbV2Te2O 和 KV2Se2O 电极构建的 AMTJ 器件在费米能级处的自旋极化 k 分辨透射系数分布 在三种候选材料中，KV2Se2O 表现出最理想的费米面自旋分离特征。费米能级附近的不同自旋输运通道几乎互不重叠，为实现高磁阻提供了关键条件。基于这一性质，研究团队以 KV2Se2O 为电极构建 AMTJ 器件，并系统评估其输运性能。模拟结果显示，即使在简单的真空势垒结构下，器件的 TMR 已达到约 4.3 × 103 %。当进一步引入与电极晶格和对称性匹配的绝缘势垒后，TMR 可提升至 1.1 × 106 %，显著超越了传统铁磁 MTJ 以及其他代表性器件的性能（图3）。 图 3：（a）基于 KV2Se2O 电极的 AMTJ 器件性能与其他代表性 MTJ 的对比（b）上述不同器件对应的结构设计与研究方法（c）典型 MTJ 器件结构示意图 总结 本工作从费米面几何结构出发，系统阐明了交错磁平带在抑制动量空间自旋通道交叠、提升隧穿磁阻方面的核心作用。其中，以 KV2Se2O 为电极的交错磁隧穿结在对称匹配的绝缘势垒辅助下，可以实现高达 1.1 × 106 %的理论 TMR，显著突破现有 MTJ 体系的性能上限。本研究不仅确立了交错磁平带驱动的费米面工程设计范式，也为新一代高密度、低功耗自旋存储与自旋逻辑器件的发展提供了重要的材料与结构指导。 参考文献 X. Yang, S. Fang, Z. Yang, P. Ho, J. Lu, and Y. S. Ang, Altermagnetic Flatband-Driven Fermi Surface Geometry for Giant Tunneling Magnetoresistance, Adv. Funct. Mater., e31921 (2026). http://doi.org/10.1002/adfm.202531921

研究背景 磁隧穿结（MTJ）是自旋电子学中的基本组成部分，通过巨磁电阻效应实现非易失性存储功能。减小 MTJ 厚度是提升存储密度、高速操作和自旋轨道耦合效率的关键。最近，新型磁体–交错磁（AM）材料因具有在实空间和动量空间中的交替自旋极化受到了广泛关注，它们表现出巨大的自旋劈裂而不具备净磁矩，成为超紧凑型 MTJ 集成的理想平台。在传统 MTJ 中，隧穿磁阻（TMR）通常会随着势垒厚度的增加而增大，这是因为反平行态下电子的隧穿衰减速度比平行态更快。本工作揭示了一种在交错磁隧穿结（AMTJ）中 TMR 随着势垒厚度增加而减小的反常规律，这是由于交错磁的能带中自旋简并部分形成了一条在反平行态下无法被抑制的隧穿通道，该现象进一步在二维 V2Te2O/Cr2Se2O/V2Te2O 和 V2Te2O/ZnSe/V2Te2O AMTJ 中得以验证。 研究内容 本文首先对 AMTJ 的 TMR 随着厚度变化的物理机理进行理论分析并提出双势垒模型，将自旋劈裂的费米面分为外部区域 A 和中心区域 B。在 AP 配置中，左右电极的 Néel 矢量是反平行的，区域 A 的自旋匹配问题使得该区域的电子透射可以有效抑制，被称为有效区域。而区域 B 的传输通道在 AP 配置下仍然保持开启，因为自旋分裂的两个费米面重叠，形成了一个自旋简并的传输通道，在 P 和 AP 状态下都保持开放，也被称为无效区域。根据隧穿理论，TMR 随着中间层厚度的变化可以用以下公式表达： 其中 kA 和 kB 分别为区域 A 和区域 B 的衰减系数。本文探讨了两种情景下的 TMR 行为：当 kA 小于 kB 时，TMR 随势垒厚度增加而增加，符合传统的缩放规律；而当 kA 大于 kB 时，表现为反常的缩放现象。 图1.（a）传统 MTJ 和（b）AMTJ 中的隧穿机制；（c）平行态配置中，区域 A 和 B 的电子态都参与隧穿；（d）反平行配置中，区域 A 的电子态传输被抑制，但区域 B 的电子态仍有传输。 随后采用密度泛函理论结合非平衡格林函数方法，研究具有不同势垒厚度的 V2Te2O/Cr2Se2O/V2Te2O 和 V2Te2O/ZnSe/V2Te2O AMTJ 器件以验证这一反常规律。首先，通过计算能带结构，V2Te2O 和 Cr2Se2O 分别为二维交错磁金属和交错磁半导体，且均具有 d 波各向异性。 图2. V2Te2O 和 Cr2Se2O 的原子结构、能带以及费米面处能带劈裂 Cr2Se2O 的面外衰减系数 k 通过计算复能带得到。在倒空间中，可以观察到其也具有交错性质的衰减，在 Γ 点附近，自旋向上与自旋向下的电子具有几乎相同的衰减率。然而，具有不同自旋电子的衰减在 Γ-X 和 Γ-Y 方向上发生反转，且该区域的衰减较 Γ 点附近更大。 图3. 费米面附近 Cr2Se2O 的面外衰减系数 该 AMTJ 器件采用 2D 交错磁金属 V2Te2O 作为电极，2D 交错磁半导体 Cr2Se2O 作为绝缘层，其具有三种操作状态：平行态（P），电极和绝缘层的 Néel 矢量方向相同；中间态（I），绝缘层与电极的 Néel 矢量相反；反平行态（AP），两电极的 Néel 矢量方向相反。通过分析透射谱，可以发现，与 P 态相比，I 态在 Γ-X 和 Γ-Y 方向的透射明显减弱；而在 AP 态下，Γ-X 和 Γ-Y 方向的透射进一步被抑制。尽管如此，在 AP 态下，Γ 点附近的电子隧穿仍然存在，这表明该态下存在一定的传输通道。 图4. AMTJ 器件图以及不同操作状态下的的透射谱 通过改变中间绝缘层 Cr2Se2O 的层数发现，随着层数增大，TMR 呈现减小趋势。P 态的 TMR 从 220% 减至 40%，I 态从 137% 降到39%，与之前的理论分析一致。通过透射谱可以看出，Γ-X 和 Γ-Y 方向的透射随着层数增大有很明显的衰减，而 Γ 附近的透射仍就保持。 图5. TMR 和透射谱随着 Cr2Se2O 层数的变化情况 本研究还探讨了使用非磁性绝缘层材料 ZnSe 以及交错磁 V2Te2O 电极的隧穿结结构，以解决由相邻交错磁性层之间的强交换相互作用可能引起的磁不稳定性问题。ZnSe 是一种具有 2.26 eV 直接带隙的半导体。随着势垒厚度的增加，在 V2Te2O/ZnSe/V2Te2O AMTJ 中，TMR 从 206% 降至 0.9%，呈现出与全交错磁性结构类似的趋势。这一现象源于交错磁性材料中自旋简并和非简并 Bloch 态的共存，它们通过势垒的衰减速率不同。当自旋简并态衰减较慢时，便出现了反常的衰减行为，无论绝缘层是否为交错磁材料。 图6.（a）ZnSe 以及（b）V2Te2O/ZnSe/V2Te2O AMTJ 器件原子结构示意图，（c）ZnSe 的能带结构（d）TMR 随 ZnSe 层数的变化 总结 本研究揭示了交错磁性隧穿结中 TMR 随着势垒厚度增加而下降的反常缩放行为。其背后的机制在于自旋简并态引发的持久传输通道，该通道在 P 与 AP 配置切换时几乎不受影响。为了解释这一现象，构建简化的双势垒模型区分有效和无效的自旋选择性传输。有效部分源自自旋劈裂态，随着势垒厚度增加迅速衰减，而无效部分则衰减较弱，并在较大厚度时主导总体传输。TMR 是否表现出反常的缩放行为，主要取决于有效区域和无效区域之间的衰减差异。通过在全交错磁 V2Te2O/Cr2Se2O/V2Te2O AMTJ 和非磁性 ZnSe 绝缘层的 AMTJ 上进行第一性原理量子输运模拟，验证了这一反常行为。研究结果不仅深入揭示了交错磁性材料的基本输运行为，还强调了影响基于交错磁性的磁性隧道结性能的关键设计因素。 参考文献 Z Yang, X Yang, J Wang, et al. Unconventional thickness scaling of coherent tunnel magnetoresistance in altermagnets [J]. Physical Review B, 2025, 112 (20): […]