研究背景 磁隧道结是磁随机存取存储器的重要组成部分。通过改变两个铁磁层的相对磁化方向，器件可以在不同电阻态之间切换，实现信息读取；利用自旋转移力矩（STT），则有望通过电流直接驱动磁化翻转，实现电写入。对于低功耗存储器而言，高磁阻有利于区分存储状态，较低的翻转电流和电压有利于降低写入能耗，如何协调这两类性能是器件设计的关键。二维范德华材料为构建原子级厚度的磁隧道结提供了材料平台。除磁性层和隧穿势垒之外，外接电极的晶体结构也会改变界面耦合与电子输运。 研究内容 本研究采用 QuantumATK 软件中结合密度泛函理论与非平衡格林函数（DFT-NEGF）的方法开展电子结构和输运计算，并在非共线磁隧道结计算中考虑自旋轨道耦合。首先构建 TaS2/1T-VSe2/TaS2 异质结构，考察电极晶型如何影响界面电子态。1T 与 2H 相 TaS2 均具有金属性，但其面外能带、界面间距和轨道杂化不同，因此会形成不同的自旋依赖输运通道。 图 1. 分别采用 1T-TaS2 和 2H-TaS2 电极的 TaS2/1T-VSe2/TaS2 异质结构的（a-b）原子结构和（c-d）TaS2 层与 VSe2 层在费米能级处的局域态密度（LDOS）。在 1T 构型中，VSe2 层与 TaS2 电极之间的层间距离在 1T-TaS2 一侧为 3.57 Å，在 VSe2 一侧为 3.51 Å；而在 2H 构型中，两个界面的距离均为 3.38 Å。自旋分辨 LDOS（蓝色表示自旋向上，红色表示自旋向下）显示了各层的电子贡献，阴影区域对应 1T-VSe2 层的 LDOS，突出了该层对异质结构电子性质的贡献。 在此基础上，将单层 2H-MoS2 插入两个 1T-VSe2 铁磁层之间，形成 TaS2/1T-VSe2/2H-MoS2/1T-VSe2/TaS2 磁隧道结。自由单层 MoS2 是半导体，接入异质结构后，其费米能级附近出现与隧穿过程有关的金属诱导带隙态。两种电极晶型下的态密度差异表明，电极与中间层的电子耦合能够进一步改变势垒中的可用态。 图 2. 自由单层 2H-MoS2 的（a）原子结构和（b）态密度（DOS），以及其集成到以（c）半无限 1T 和（d）2H-TaS2 为电极的 TaS2/1T-VSe2/2H-MoS2/1T-VSe2/TaS2 异质结构磁隧道结中的情况。能量 E 以费米能级（E_F = 0）为参考，竖直虚线表示费米能级。自由态与集成态之间的 DOS 变化揭示了 MoS2 单层与不同相 TaS2 电极之间电子耦合的影响。 为考察磁化方向对读出性能的影响，研究固定左侧 VSe2 层的磁化方向，将右侧磁化方向在 xz 平面内从 […]
