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): […]

研究背景 随着集成电路特征尺寸持续向纳米甚至原子级别缩小，传统铜互连材料在高密度三维集成和垂直互连结构中的导电性能正面临严峻挑战。器件微缩导致的尺寸效应、界面散射与量子输运问题，使得金属互连的电阻率急剧上升，严重限制了器件的速度与能效。因此，寻找具有低界面电阻、高导电性和稳定尺寸标度行为的新型材料体系已成为先进互连技术的重要研究方向。 近年来，拓扑半金属因其独特的能带结构和高载流子迁移率，成为下一代电子互连材料的潜在候选。拓扑半金属在费米能级附近存在线状或点状狄拉克态，其电子输运特性受拓扑保护，能够显著抑制界面散射，从而在纳米尺度下保持较低的电阻率。这一特性为突破传统金属互连的性能瓶颈提供了新的可能。 然而，在器件实际应用中，界面效应仍是决定互连电阻的关键因素。随着器件尺寸的不断缩小，界面电阻率不再是常数，而表现出明显的标度行为，即其值随通道长度、厚度或界面粗糙度等几何参数变化而改变。理解并量化拓扑半金属界面的电阻率标度规律，对于准确评估其在垂直互连结构中的导电性能至关重要。 研究内容 本研究聚焦于拓扑半金属界面电阻率的标度行为及其在垂直互连体系中的应用。通过理论分析与计算模拟，探讨不同拓扑半金属在界面处的电子输运特征及尺寸依赖规律，旨在揭示拓扑保护态在降低界面散射、保持电阻稳定性方面的作用机制。这一研究不仅为理解拓扑材料的界面输运提供了新的物理图景，也为设计高性能、低功耗的三维互连结构提供了理论基础。 图 1. 所考虑各种界面结构的示意图（a）单界面结构（b）双界面结构，（c）和（d）是与（a）和（b）相同的界面结构，但在 y 方向上添加了真空以模拟薄膜。 对于单界面和双界面模型两种结构，考虑电子在体和薄膜中的传输，并通过在垂直于传输方向上添加真空来模拟。 图 2. 结构示意图（a）Cu(100)/Ta(100)（b）CoSi(100)/Ta(100)，动量分辨电子透射谱（c）Cu(100)/Ta(100)（d）CoSi(100)/Ta(100) k 分辨透射谱显示 Cu/Ta 界面的透射谱透射率可达 T= 7 的区域，而靠近 Γ 点处透射率较低。CoSi/Ta 界面的透射谱在 BZ 边界有 4 个小的 T= 2 的区域，而其他地方的透射谱为零。CoSi/Ta 界面结构的低透射率是由于 BZ 中 CoSi 的体电子态密度（DOS）极低，集中在区角的 Weyl 节点附近。与 Cu 相比，CoSi/Ta 界面上的低电子透射率转化为高比电阻率。 图 3.（a）Cu/Ta 和（b）CoSi/Ta 的局域电子态密度（LDOS），（c）Cu/Ta 和（d）CoSi/Ta 在不同薄膜厚度下的动量分辨电子透射谱 从计算的域态密度（LDOS）可以发现，对于 Cu/Ta 界面是均匀的 LDOS，在薄膜表面附近没有明显变化。然而，在 CoSi/Ta 界面，Ta 区域的 LDOS 分布均匀，但在 CoSi 表面处 LDOS 强烈局域化，CoSi 内部区域的 LDOS 几乎为零。这是由于存在的 Weyl 节点和由此产生的拓扑保护表面态从布里渊带的中心延伸到角落，在 CoSi 薄膜中产生相对较少的靠近费米能级的体态和大量的导电表面态所导致的。 从计算的动量分辨电子透射谱可以发现，对于 Cu/Ta，使薄膜更厚（从 […]