研究背景 在近年来二维材料研究的迅猛发展中，二维磁性半导体因其在自旋电子学和光电子学领域的潜在应用而受到广泛关注。CrSBr 作为一种新兴的二维铁磁材料，兼具层状结构、稳定的磁序和各向异性的电子性质，为实现多功能集成器件提供了理想平台。特别是在无外加电压条件下实现的自驱动光电流效应，能够显著降低器件功耗，是发展新一代低功耗光电器件的重要方向。同时，纯自旋光电流的产生可避免能量损耗与散射限制，有望在自旋输运、信息存储与量子计算等前沿领域发挥关键作用。 然而，在传统二维材料中实现纯自旋光电流面临诸多挑战，如缺乏稳定磁序、对称性抑制光生自旋分离等问题。研究发现，通过施加应变或引入弯曲形变，可以有效打破材料的空间反演对称性，从而诱导内部电场并激发新型光电效应。因此，探索在二维磁性材料中通过弯曲构型实现自驱动且自旋极化的光电响应，具有重要的理论价值与应用前景。该工作正是在这一背景下开展，旨在揭示弯曲 CrSBr 单层中自驱动纯自旋光电流的物理机制，并推动二维材料在低维自旋光电子器件中的应用探索。 研究内容 本研究基于第一性原理计算与非平衡格林函数方法，系统探索了在机械弯曲条件下，CrSBr 单层中产生自驱动纯自旋光电流的物理机制。研究发现，非弯曲 CrSBr 单层的实空间电荷密度分布图中，S 原子和 Br 原子都参与了 VBM，CBM 由 Cr 原子组成。然而，弯曲后单层 CrSBr 的电荷密度分布却发生了令人兴奋的变化。屈曲后，VBM 占据结构左侧，CBM 占据另一侧。随着弯曲深度的增加，电子-空穴分离更加明显。 图1. 单层 CrSBr 的（a）俯视图与侧视图（b）能带结构及轨道投影态密度（c）CBM 与 VBM 的实空间分布（d）挠曲深度 d=11 Å 时的 CBM 与 VBM 实空间分布（e）d=11 Å 上下表面应力分布示意图 弯曲 CrSBr 左右两端的 α 自旋（β 自旋）能带边位置呈交错的 II 型能带排列，即弯曲导致结构左右两端的导带和价带发生漂移。这意味着弯曲结构具有更多的光生载流子，激子寿命得以延长。这一特性对于光电子器件至关重要。 图2. 挠曲深度 d=11 Å 时单层 CrSBr 中 α 和 β 自旋沿 z 轴方向的投影能带结构 内部和外部应变梯度导致器件结构的不对称增强，价带和导带附近的子带增多，以及结合态密度增加，从而获得光伏效应。 图3. （a）基于单层 CrSBr 的偏振器件示意图（b）无外加电压时 CrSBr 挠曲器件的光电流密度（c）挠曲光伏效应引发自供电行为的机理图（d）α 和 β 自旋在布里渊区高对称点处最高价带与最低导带之间的跃迁矩阵元（e-f）d=11 Å 时挠曲结构的 α 和 β 自旋的能带结构及态密度 基于柔性光伏效应，挠曲 CrSBr 消光比大大高于其他材料，且 CrSBr 弯曲光电器件在低光子能量范围内具有良好的单自旋滤波效果。 图4. （a）α 与 β 自旋的消光比（b）偏振角 0° 与 90° 时光电流密度的自旋极化率 总结 本研究基于第一性原理计算与非平衡格林函数方法，系统探索了在机械弯曲条件下，CrSBr 单层中产生自驱动纯自旋光电流的物理机制。研究发现，弯曲形变打破了材料的空间反演对称性，在体系内部诱导出有效电场，驱动光生载流子分离，从而实现无需外加偏压的光电流响应。进一步分析表明，该光电流具有明显的自旋极化特征，表现为纯自旋光电流的产生。此外，研究还揭示了该效应依赖于入射光的极化方向，展示出高度的偏振选择性。该工作不仅提出了一种结合机械调控与光自旋效应的新机制，也为设计低功耗、高灵敏度的二维自旋光电子器件提供了理论依据。 参考文献 Chen H, Chen L, Chen L, et al. Self-Powered Pure Spin Photocurrent in Bent CrSBr Monolayer[J]. Physical Review Letters, 2025, 134(24): 247001. https://doi.org/10.1103/s8qn-n8tr

研究背景 反铁磁材料（AFM）因具有超快自旋翻转速度（太赫兹级）、无净磁矩、高抗干扰性和优异的稳定性，被视为下一代磁阻随机存储器（MRAM）的核心候选材料。然而，反铁磁隧道结（AFMTJs）中的隧道磁阻（TMR）通常较低，其根本原因在于两个自旋通道的对称性导致隧穿电流极化不足，限制了 AFMTJs 的广泛应用。本研究通过创新理论模型：自旋通道选择规则，提出通过结构工程调控界面倾斜角（Interface Tilt Angle, ITA）来控制不同自旋通道的隧穿距离，打破对称性；并通过调制倾斜界面使得自旋向上（↑）和向下（↓）电子的隧穿势垒差异，形成高度极化的电流，从而显著提升隧道磁阻。利用 FeTe 作为代表材料，发现隧穿界面的倾斜会使得 AFMTJs 产生明显的自旋极化，并诱导出较大的 TMR。证明 Néel 型 AFMTJs 的隧穿磁阻（TMR）会随着隧穿界面的倾斜角增大而增大。该工作揭示了二维 Néel 型 AFMTJs 中界面与 TMR 的关系，并为实现反铁磁体信息的有效写入和阅读开辟了一条新的途径。 研究内容 研究采用密度泛函理论结合非平衡格林函数方法，预测在共线完全补偿的反铁磁体中会出现极化电流。从自旋电子的散射模型和势垒贯穿模型出发，构建了如图 1 所示的 AFMTJs 模型。 图1. 插图展示了电子在不同界面配置下的隧穿过程。(a)-(c) 是 AFMTJ 隧穿界面中自旋电子在 P 态下的隧穿示意图，分别以矩形、梯形和平行四边形表示；(d)-(f) 是 AFMTJ 隧穿界面中自旋电子在 AP 态下的隧穿示意图，同样以矩形、梯形和平行四边形表示。 为了进一步探索界面构型差异对电子透射现象的成因，设计了平行四边形和梯形两种界面，并调整其界面倾斜。以 tanα  为自变量，输运性质为应变量，从中寻找依赖关系。隧穿界面从梯形逐渐转换到平行四边形的过程中，α 逐渐从负值转变为正数，tanα 单调递增，tanα 的绝对值先减后增。tanα 的变化趋势与 TP/TAP 的变化趋势相反，而 TMR 的变化趋势则是与 tanα 趋势相同。 图2. 两种隧道界面的逐渐转变，伴随传输性质的变化。(a) 倾角 α 的定义：当其为梯形时，α < 0；当其为平行四边形时，α > 0。此外，在从梯形到平行四边形的转变过程中，α 逐渐增加。(b) SFE 随 α 的变化。这里，SFE 的相对大小代表极化的强度。(c) P 态和 AP 态总透射强度相对于 α 的相对大小。(d) TMR 随 α 的变化。(e) 计算结果与其它磁隧道结在 TMR 方面的结果对比。 最后，示意性地展示该模型在实验中的可能实用性。二维 FeTe 可以通过气相沉积技术合成。随后，使用刻蚀技术制造所需的隧道界面配置。最终，不同形状的 FeTe 被转移到基底上，以制备 AFMTJs。所有提出的这些技术已在其实验应用中得到了广泛且良好的使用。 图3. 展示了利用二维刻蚀技术对二维 FeTe 进行定向刻蚀的过程。(a) 使用蒸镀等技术在合适的基底上合成未刻蚀的二维 FeTe。(b) 引入刻蚀溶液以对 FeTe 进行二维刻蚀。(c) 进行定向刻蚀以实现所需的界面结构。(d) 开发自旋电子器件。 总结 设计出不同界面的反铁磁隧道结并提出可以通过调节隧穿界面的倾斜角来实现调控隧道磁阻（TMR）。基于第一性原理的量子输运计算证明：（1）电子隧穿界面的构型决定了磁轴平行和反平行时的透射系数的相对大小：即梯形界面时，TP > TAP；平行四边形时，TP < TAP。（2）界面的倾斜角与极化强度和 TMR 有明显的依关系，即倾斜角越大 TMR 越大。该研究提出了一种前所未有的 TMR 调节机制，为 AFM 材料在 MRAM 领域的应用提供了新的途径。 参考文献 Liu, X.; Yu, G.; He, K.Q. ; Xiao, Y.; Zhu, S.C.; Shen, L.; Origin and enhancement of magnetoresistance in antiferromagnetic tunnel junctions: spin channel selection rules. Materials […]