卤化硼烯 MOSFETs 的电子各向异性和量子输运

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背景简介 由于硅固有的物理限制，将硅基金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFETs）持续缩小到 10 纳米栅极长度以下是非常具有挑战性的。而具有各向异性电子结构的二维半导体往往表现出相当高的导通状态电流，因此在纳米电子器件中具有很好的应用前景，但寻找稳定的、各向异性的二维半导体仍然是一个充满挑战性的研究。 研究内容 FIG. 1.单层 B4X4 的 (a) 原子结构、(b)3c-2e 键和 2c-2e 键、(c) 布里渊区、(d)-(f) 能带结构和投影态密度（PDOS）。 本文选取各向异性二维卤化硼烯 B4X4 (X = F, Cl, and Br) 家族材料为例，在这项工作中，计算研究了基于具有各向异性电子结构的单层 B4X4 的 5 nm 栅长 n 和 p 型高性能（HP）MOSFETs 的输运特性。单层 B4F4、B4Cl4 和 B4Br4 的带隙分别为 0.70、1.39 和 1.19 eV。通过应变工程可以扩大单层 B4F4 的小带隙，从而有效地将关态电流抑制在 0.1μA/μm 以下，同时将开态电流提高到 3140μA/μm。值得注意的是，研究表明过大的输运有效质量 m// 和态密度有效质量 mDOS 会导致载流子注入速度降低和饱和电流减小，从而严重限制了导通状态电流。因此在设计 2D 半导体 MOSFET […]

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二维范德华异质结构中自旋轨道扭矩的第一性原理模拟和材料筛选

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简介 二维范德华（2D vdW）材料中自旋轨道扭矩（SOT）技术的最新进展不仅将自旋电子器件推向了原子极限，还揭示了非传统扭矩和新型自旋转换机制。在众多2D vdW 材料中观察到的SOT的巨大多样性需要一种筛选策略来确定扭矩器件性能的最佳材料。为了解决这一关键问题，采用密度泛函理论和非平衡格林函数的结合来计算各种二维vdW双层异质结构中的 SOT，发现了三种高 SOT 体系：WTe2/CrSe2、MoTe2/VS2 和 NbSe2/CrSe2。此外，提出了一种允许快速有效地估计SOT的品质因数的方法，从而能够高通量筛选未来SOT应用的最佳材料和器件。 背景 自旋轨道扭矩（SOT）是一种新兴的自旋电子技术，能够通过电流有效地操纵磁化，它激发了各种有前景的应用，包括基于 SOT 的磁阻随机存取存储器（MRAM）、微波器件和非易失性逻辑器件。与商业自旋转移扭矩技术相比，SOT 有望实现更高的电荷到自旋效率、更快的写入操作、更低的写入电流和更多的应用通用性，使其成为一项快速发展的技术。传统的 SOT 器件通常由与自旋轨道耦合（SOC）层相邻的铁磁（FM）层组成，如重金属，由于 SOC 效应，电荷电流被转换为自旋极化电流。这种自旋电流产生一个扭矩，操纵和切换FM层中的磁化。在许多基于各种材料的 SOT 器件中观察到了广泛的扭矩效率，包括拓扑绝缘体和过渡金属化合物。 近年来，各种二维范德华（2D vdW）材料的发现，包括 2D 过渡金属二硫化物（TMD）、2D 磁体和Weyl半金属，为SOT器件开辟了新的途径。2D 材料提供了非传统的 SOT 和新的磁化转换机制。某些二维TMD，如 WTe2，由于其较大的 SOC 效应和较低的晶体对称性，已被发现可以产生具有高扭矩效率的非传统平面外反阻尼 SOT。据报道，2D 磁体具有长程磁序、强垂直磁各向异性和显著的霍尔效应。特别是，2D vdW 拓扑铁磁金属 Fe3GeTe2 显示出巨大的 SOT，提供了对磁态和相变的强大控制。2D vdW SOC/FM异质结构，如与低对称性WTe2 相邻的垂直极化Fe2.78GeTe2，已被实验验证为无场确定性磁开关。 研究内容 先前关于 SOT 器件的理论研究主要集中在扭矩产生机制和磁化转换动力学上。在这项研究中，作者采用密度泛函理论（DFT）结合 QuantumATK 中实现的非平衡格林函数（NEGF）来计算 2D vdW SOC/FM 双层异质结构中的本征 SOT。 作者考虑了一组与自旋电子学相关 2D […]

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基于二维双层铁电范德华异质结$\mathrm{CuInP}_2\mathrm{Se}_6$/$\mathrm{Ga}_2\mathrm{O}_3$的铁电隧道结中的高隧穿电阻

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背景简介 目前研究发现，双层范德华异质结的导电性质可以通过比较两种材料接触界面处的功函数差（∆W）来预测：当∆W 大于异质结中功函数较大材料的带隙时，异质结将表现出金属性；相反，当∆W 小于功函数较大材料的带隙时，异质结将成为半导体甚至绝缘体。二维面外极化的铁电材料由于其内部铁电极化场的影响，具有分别在两个表面上的截然不同的两个功函数。需要另一种材料分别与面外极化铁电材料的两个表面接触，以构建具有两个铁电极化态的范德华异质结，则构建的范德华异质结在两种不同的极化态下就会具有明显的导电性差异，满足构建高隧穿电致电阻比的铁电隧道结的要求。然而，由于该条件对所使用铁电材料的极化强度要求高，通常很难找到合适的材料组合。 研究内容 周艳红课题组研究生雷蕾涛提出一种由两种二维面外极化铁电材料组成的双层铁电范德华异质结模型，能更容易找到满足条件的材料组合。因为当两种面外极化铁电材料各有差异比较大的两个功函数，由它们构建的范德华异质结就会有四种可能的∆W。∆W 最大的情况下，往往能够超过构成范德华异质结的两种材料的带隙。此时，异质结将成为导体，而∆W 最小的情况下，一般都会小于构成异质结的两种材料的带隙。此时，异质结将成为半导体或绝缘体。与使用单层铁电材料的范德华异质结相比，双层铁电范德华异质结在构建铁电隧道结中高低导电态更容易实现。基于这种新的铁电隧道结构建模型，他们的铁电隧穿层采用了由两种面外极化铁电材料 CuInP2Se6和Ga2O3 组成的双层铁电范德华异质结。这种范德华异质结的 P↑↑态为具有 0.634 eV 带隙的绝缘态，P↓↓态为零带隙的金属态，因此，在 CuInP2Se6/Ga2O3 范德华双层铁电异质结中可以通过控制铁电极化，实现高导电态（P↓↓态）和低导电态（P↑↑态）的切换。接着，基于该异质结，设计了一个二维面内铁电隧道结，获得高达 106 %的隧穿电致电阻比并通过功函数模型、电荷重新分布和局域态密度对上述现象进行了分析。该工作以“High Tunneling Electroresistance in Ferroelectric Tunnel Junctions Based on 2-D Bilayer Ferroelectric CuInP2Se6/Ga2O3 van der Waals Heterostructure” 发表在IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES。 图1 非导体—导体铁电转换理论模型。分别展示了（a）由非铁电材料和面外极化铁电材料 组成的范德华异质结和在（b）由两种面外极化铁电材料构成的双层铁电范德华异质结中材料的功函数W 和两种材料之间界面处的功函数差∆W。 图2（a）CuInP2Se6单层，（b）Ga2O3单层和 CuInP2Se6/Ga2O3双层铁电范德华异质结在（c） P↑↑态、（d）P↓↓态和（e）P↓↑态下的能带结构图。 图3  N = 2 时，CuInP2Se6/Ga2O3 铁电隧道结的原子结构，（a）P↑↑态和（b）P↓↓态。 图4（a）N = 1、（b）N […]

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非对称导电通道和电势重分布的竞争决定了层状铁电材料随极化变化的电导率

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研究简介 存内计算利用存储器进行原位计算，因此有望突破由于数据移动带来的时延与功耗瓶颈。α-In2Se3、和AgSiP2Se6等层状铁电半导体结合了原子级厚度的半导体用于小尺寸逻辑的优势和铁电性用于非易失性存储器的优势。这些半导体为存内计算提供了理想的平台。利用层状铁电半导体作为通道，可以在双端或者三端器件中实现逻辑、内存和神经形态计算功能。这些器件中的多种电导状态为逻辑和内存的集成提供了物理基础。在这种情况下，实现精确的电导调制就变得至关重要。然而，铁电沟道场效应晶体管（FeCFET）中的电导受到铁电极化状态的强烈影响。这种极化-电导耦合出现在铁电沟道内部，与常见的铁电场效应晶体管（FeFET）中不同功能区之间的耦合显著不同。要实现基于各种层状铁电半导体的逻辑和存储器件的功能和性能优化，就必须回答沟道极化如何影响电导这一根本问题。 图1. 双栅极α-In2Se3铁电半导体沟道晶体管 研究内容 作者基于密度泛函理论计算与量子输运模拟，解析了层状铁电半导体α-In2Se3中极化相关电导率的两种基本机制：隐性Stark效应导致的非对称导电通路（图1）和栅极外场诱导的电势重分布（图2）。在这里，作者运用了QuantumATK的能带计算与投影功能来分析不同极化状态下内建电场对铁电半导体能带的影响，运用了QuantumATK计算电势分布、态密度、透射系数等功能研究了器件的输运性质。在文章中，作者后续的实验测试结果进一步验证了这两大机制。 图2. 层状铁电半导体中的隐性斯塔克效应导致非对称导电通路的形成 图3. 相对于栅极的铁电极化方向决定的电势重分布 在理清了极化与电导之间的耦合规律之后，作者提出了精确控制双栅极铁电沟道场效应晶体管的导电阈值的两大策略，即控制导电通道位置或者氧化物厚度，并实现了多种自切换存内逻辑功能。 参考 Quhe, R., Di, Z., Zhang, J. et al. Asymmetric conducting route and potential redistribution determine the polarization-dependent conductivity in layered ferroelectrics. Nat. Nanotechnol. 19, 173–180 (2024). https://doi.org/10.1038/s41565-023-01539-4

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气敏材料与器件的模拟

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QuantumATK 因其在材料电子态、输运性质和分子动力学性质等方面有丰富的模拟工具箱，特别适合研究这类气敏材料和器件特性，包括： 检测分子在材料上的吸附和脱附 使用过渡态搜索或分子动力学方法研究 吸附导致的电输运特性变化 构造器件构型，直接计算体系电流变化与影响因素 相关机理的探讨 丰富的电子态投影、电荷分析、结构分析等手段，帮助理解机理 Biaxila 应变调控 C5N 基二维器件高各向异性气敏性能：第一性原理研究 二维氮化碳材料因其丰富的元素资源、高物理化学稳定性和优异的电子性能，被广泛应用于器件制备、气体吸附与分离等诸多领域。本文采用密度泛函理论和非平衡格林函数方法，研究了 C5N 基结构的电子结构、输运特性和气体灵敏度。结果表明，电子输运表现出明显的各向异性，其中扶手椅型方向的电子输运比锯齿型形方向的电子输运更具导电性。值得注意的是，两个方向都存在负微分电阻效应。此外，还研究了吸附在 C5N 单层上的无机分子（NO、CO、NO2、SO2 和 NH3）的输运和传感特性。结果表明，CO、SO2 和 NH3 以物理吸附的形式存在于C5N表面，而 NO 和NO2 则以化学吸附的形式粘附在 C5N 表面。设计的C5N 气敏传感器对 NO 和 NO2 分子表现出很高的灵敏度，在 0.1 V 偏压下对 NO2 的灵敏度达到81%。最后研究了应变对气敏器件吸附性能的影响。研究表明，在扶手椅方向施加 -4% 的应变可以明显增加 NO 和 NO2 的电流，显著提高气敏器件的性能。无论是对器件施加应变还是气体吸附，C5N 材料始终保持明显的各向异性。本研究表明 C5N 是一种高度各向异性和灵敏性的二维材料，在电子特性和气体传感领域有着广阔的应用潜力。 Li, H., Liu, Z., Liu, G., Yang, N., Wu, […]

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考虑自旋轨道耦合的二维范德瓦尔斯铁电半导体中可调的自旋体光伏效应

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背景介绍 体光伏效应是一种特殊的非线性光学效应，它可以让在中心反演对称性破缺的体系中受到光照后产生直流电，这种效应和二次谐波效应（产生交流电）也具有密切的关系。自旋体光伏效应是体光伏效应的一种衍生子效应，特指材料在被光照射后可以产生自旋流。要产生自旋体光伏效应的核心是自旋-动量锁定，而考虑相对论效应则是最直接的一种实现自旋-动量锁定的方法。在本文中，作者系统地总结了由于相对论效应产生的自旋体光伏效应的机理，并通过对称性分析和第一性原理量子输运方法研究了在铁电调控下这些自旋流的调制情况。 研究内容 近日，北京大学物理学院吕劲课题组在Phys. Rev. B上发表了题为“Tunable spin photogalvanic effect in two-dimensional van der Waals ferroelectric semiconductors with spin-orbit coupling”的工作，该工作系统性地研究了由于自旋轨道耦合效应导致的自旋体光伏效应在范德瓦尔斯铁电材料中受铁电调控的一般情况。并且在研究面内铁电极化时发现一种全新的物理现象，即调控体系的铁电极化方向后，光激发的自旋流不发生改变，但电荷流的方向发生改变，作者将这种全新的现象命名为“隐藏的自旋流调控”效应。 本文中的相对论性第一性原理量子输运模拟是由QuantumATK实现（采用了相对论性的赝势和原子轨道基的结合），本文的结果表明了使用量子输运方法研究特定体系的输运性质（包括非线性光学效应）已经成为了继密度泛函微扰理论之后的又一有力工具。本文的第一作者为课题组博士方世博，通讯作者为北京大学物理学院罗昭初研究员和吕劲研究员。 以下是使用QuantumATK计算的自旋体光伏的电荷流和非共线自旋流性质，文中考虑了三种二维材料中的铁电调控情况，分别是面内铁电材料（BP-Bi为例）： 面外铁电材料（α-GeTe为例）： 和面内面外耦合的铁电材料（α-In2Se3）： 总结： 该工作系统地提出了一个模型，用于描述自旋-光电旋效应（SPGE）在自旋轨道耦合（SOC）铁电半导体中的行为，考虑了一阶相对论扰动（Rashba效应），包括平面内、平面外和平面内-平面外耦合的自旋轨道耦合。在平面内铁电材料中，可以通过调节铁电性质来调制Sz分量的自旋电流，但不能通过圆偏振光来实现。在平面外铁电材料中，无论是线偏振光还是圆偏振光都可以通过调节铁电性质来调制Sx和Sy分量的自旋电流。在耦合铁电材料中，无论入射光的类型如何，都可以通过铁电性质有效地控制自旋电流的所有三个分量。通过采用第一性原理计算和量子输运，该文使用BP-Bi、α-GeTe和α-In2Se3这三个案例验证了这个模型。结果表明，当忽略高阶相对论扰动时，该模型是成立的。然而，当铁电材料受到来自高阶相对论效应（Dresselhaus效应）的扰动时，需要对模型进行特定修改。这项工作为未来关于电-光-磁耦合新型存储器的研究铺平了道路。 参考文献： Tunable spin photogalvanic effect in two-dimensional van der Waals ferroelectric semiconductors with spin-orbit coupling. Phys. Rev. B 109, 195202 (2024); DOI：https://doi.org/10.1103/PhysRevB.109.195202

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基于Janus-MoSSe和C3N4构建的范德华异质结中的可调节能带排列和光学特性

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背景简介 具有可调节能带排列的范德华异质结被认为是未来制造高性能多功能纳米光电器件的理想候选材料。在半导体与半导体结合构建的异质结构中具有多种能带排列方式，包括I型（跨接）、II 型（交错）以及 III 型（断隙）。I 型异质结构中的电子和空穴都位于同一种半导体材料中，这将有利于载流子的快速复合，这一特性使得I型异质结通常用于发光器件中。而在II型异质结构中，电子和空穴则位于不同的半导体材料，这种空间上的分离能够有效抑制载流子的复合并延长层间激子寿命，因而在太阳能器件中得到广泛应用。对于III型异质结构，由于两种半导体材料的价带和导带相互重叠，导致III型异质结构具有更高的电子隧穿概率。因此，实现异质结构的可调节能带排列是制造高性能的多功能纳米光电器件的前提。然而，目前大多采用调节异质结构的构成层成分或者厚度的方法来实现能带排列方式的变化，显然这些方法难以在实验中实现。 研究内容 由于具有 S 原子和 Se 原子两个不同的表面，因此 Janus-MoSSe 两表面的电势并不相同。基于 MoSSe 的这种特性并考虑 C3N4 相对 MoSSe 的不同旋转角度，通过结合能的计算获得最稳定的 MoSSe/C3N4（C3N4-Se）和 C3N4/MoSSe（C3N4-S）异质结构，并进行相关性质的研究。研究表明，由于两种异质结构内建电场强度的不同（图1c-d）导致构成层的能带边缘位移的差异（图2），MoSSe/C3N4 异质结构呈现出I型能带排列特征，这将适用于发光器件中，C3N4/MoSSe 异质结构呈现出II型能带排列特征，这将有利于载流子的分离并在太阳能器件中具有较大应用潜力。相较于目前调控异质结构能带排列方式的手段，这种通过切换异质结构堆叠方式来实现的方法，将更容易在实验中实现。此外，这两种异质结构的能带排列方式可以通过外加电场进行调节，即在I型和II型能带排列之间转换。另一方面，两种异质结构在原始状态下的主要吸收峰都位于可见光区（~2.9eV），通过施加正（负）方向电场，吸收峰的峰值可以得到增强（减弱），这一特征使得 MoSSe/C3N4 和 C3N4/MoSSe 异质结构可以应用于光调制器中。这些研究结果表明，MoSSe/C3N4 和 C3N4/MoSSe 异质结构在多功能电子器件（包括发光器件、太阳能器件、光调制器等）中具有巨大的应用潜力。 图1  MoSSe/C3N4 和 C3N4/MoSSe 异质结构的（a-b）层相关的投影电子能带结构和（c-d）沿z方向的有效势。 图2  MoSSe/C3N4 和 C3N4/MoSSe 异质结构的能带排列和功函数示意图。ΦW、Evac 和EF 分别表示功函数、真空能级和费米能级。真空能级设置为零。 总结 基于 Janus-MoSSe 的面外不对称性，将 C3N4 分别放置在MoSSe 的不同侧面构建出 MoSSe/C3N4（C3N4-Se）和 C3N4/MoSSe（C3N4-S）异质结构，以此希望通过更为简便的方法实现异质结构能带排列方式的转换和更强的光学性能。由于 MoSSe 两侧原子的势能差异，两种异质结构的内建电场强度并不相同，导致其构成层能带边缘的位移程度也存在差异，最终 MoSSe/C3N4 […]

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新的低成本 Meta-GGA 泛函计算获得正确带隙（Phys Rev Mater. 2023）

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摘要 对于新材料的发现，准确快速地预测带隙非常重要，密度泛函 LDA 和 GGA 虽然效率很高，但是系统性地倾向于低估带隙，其根本原因在于忽略了 ∆xc 导数的不连续性问题。带隙的可靠预测，通常需要求助于计算上更昂贵的杂化泛函，或超越 DFT 方法如 GW 计算。不过对材料筛选或大型复杂体系，这些方法通常在时间成本上无法承受。 最近的一项研究中，研究人员发现 Meta-GGA 中的 TASK 泛函[1]（AMS2023 以后的版本包含该泛函）可以相当好地兼顾精度和计算速度[2]。Kohn-Sham 和广义 Kohn-Sam 计算结果比较表明， TASK 来自正确的理论，即，适当结合 Kohn Sham 间隙 ∆KS 和 ∆xc 导数不连续性的贡献，能够得到正确的带隙。即使对于卤化物钙钛矿等复杂材料，TASK 也预测出类似于混合 HSE[3] 的带隙，但值得注意的是，TASK 的效率却不是 HSE 能比的。在其他设置相同的情况下进行带隙计算，数值稳定的 Meta-GGA TASK 的效率通常是 GGA 的1/3，但比杂化泛函快 20-30 倍。 Meta-GGA TASK 可直接在 AMS 中的 Libxc 中调用。另外，与其他 Meta-GGA 不同，TASK 对原子径向网格的密度要求比其他 Meta-GGA 低。此外，虽然带隙通常使用广义 Kohn-Sham 计算，但 […]

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新型二维材料 $\mathrm{WSi}_2\mathrm{N}_4$ 亚5纳米门长晶体管的性能极限（Phys. Rev. Appl. 2023）

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简介 构建互补金属氧化物半导体（CMOS）器件需要 n 型和 p 型金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFETs）。但在超短栅长情况下寻找一种 n 型掺杂和 p 型掺杂同时满足国际半导体技术路线图（ITRS）标准的沟道材料仍然是一个挑战。最近合成的二维晶体 $\mathrm{WSi}_2\mathrm{N}_4$ 具有较高的空穴和电子载流子迁移率，为这一问题提供了可能的解决方案 [Science, 2020, 369 (6504), 670-674]。北京大学物理学院吕劲课题组使用第一性原理密度泛函理论（DFT）和非平衡格林函数（NEGF）方法，探讨了双栅单层 $\mathrm{WSi}_2\mathrm{N}_4$ MOSFETs 在亚 5 nm 栅长下的性能极限 [Phys. Rev. Appl., 2023, 20 (6), 064044]。这项研究显示，n型和p型双栅单层 $\mathrm{WSi}_2\mathrm{N}_4$ MOSFETs 可将满足ITRS高性能（HP）标准的门长尺寸缩短为 3 nm，开态电流高度对称。在功耗延迟积（PDP）与延迟时间（$\tau$）的多目标优化 Pareto 边界分析中，n 型单层 $\mathrm{WSi}_2\mathrm{N}_4$ 晶体管处于典型二维材料中最优平衡的 Pareto 边界上。显示了单层 $\mathrm{WSi}_2\mathrm{N}_4$ 作为下一代 CMOS 器件沟道材料的潜力。考虑温度和无序的影响，模拟结果仍然适用。该项工作于今年12月发表在 Physical Review Applied 上，北京大学物理学院博士生黎颖为第一作者，北京大学物理学院吕劲研究员和洛阳师范学院化学化工学院副教授、哈佛大学 John A. Paulson 工程与应用科学学院访问学者孙晓甜为共同通讯作者。 研究内容 本研究通过掺杂浓度和欠叠层结构对亚 5 nm […]

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范德华多铁隧道结中面向存算一体的磁电协同控制多级导电态（Nanoscale 2024）

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研究简介 范德华多铁隧道结有望实现小型化、高密度和非易失性存储，在下一代数据存储和存算一体器件中具有巨大应用潜力。福州大学材料科学与工程学院萨百晟课题组联合北京航空航天大学和华中科技大学，采用结合密度泛函理论与非平衡格林函数结合的计算方法，模拟了由铁磁半金属材料 $\mathrm{Mn}_2\mathrm{Se}_3$ 作为自旋过滤势垒，金属材料 $\mathrm{Ti}\mathrm{Te}_2$ 作为电极，铁电材料 $\mathrm{In}_2\mathrm{S}_3$ 作为隧道势垒组成的范德华多铁隧道结器件的自旋输运性质。器件采用双层 $\mathrm{In}_2\mathrm{S}_3$ 作为隧道势垒时可以同时实现显著的隧道磁阻和隧道电阻效应，在非零偏压下，最大隧道磁阻和电阻比率分别可达6237％和1771％。进一步发现在该多铁隧道结内存在四种可区分的电导状态，即仅需一个多铁隧道结单元就可实现四态非易失性数据存储。且通过等效的磁、电开关可以分别控制器件电流的通断和大小，通过搭建多铁隧道结阵列可同时实现逻辑计算和多级数据存储。这些研究结果揭示了该隧道结在存算一体以及多级数据存储器件中的潜在应用。福州大学材料科学与工程学院博士研究生崔舟为第一作者。该研究得到了国家重点研发计划与国家自然科学基金的资助支持。 研究内容 利用QuantumATK软件，以单层铁电材料 $\mathrm{In}_2\mathrm{S}_3$ 作为势垒层，具有金属性质的 $\mathrm{Ti}\mathrm{Te}_2$ 作为电极材料，搭建了如图1所示的器件模型，图1（a）和（b）中显示了 $\mathrm{In}_2\mathrm{S}_3$ 的两种不同极化方向的情况，在考虑铁磁层磁矩的方向后，单层 $\mathrm{In}_2\mathrm{S}_3$ 器件理论上可以实现四种导电状态。图1（c-f），进一步计算了器件不同状态下的透射系数曲线和费米面处的透射谱，并且统计了各种状态下的费米面出的隧穿磁阻率和隧穿电阻率。对于单层 $\mathrm{In}_2\mathrm{S}_3$ 器件最大可以实现448%隧穿磁阻率，但是其最大的隧穿电阻率仅有30%。 图1 单层 $\mathrm{In}_2\mathrm{S}_3$ 作为隧道势垒的多铁隧道结在（a）FE-R-1IS和（b）FE-L-1IS状态下的结构示意图。（c）FE-R-1IS和（d）FE-L-1IS状态下多铁隧道结自旋分辨的零偏压透射系数曲线。（e）FE-R-1IS和（f）FE-L-1IS态下多铁隧道结自旋分辨的透射谱。 将单层 $\mathrm{In}_2\mathrm{S}_3$ 势垒层替换为双层 $\mathrm{In}_2\mathrm{S}_3$ 后，如图 2 所示，不同状态下的透射系数曲线和费米面处的透射谱具有更明显的差异。对于双层$\mathrm{In}_2\mathrm{S}_3$ 器件可以实现最大的隧穿磁阻率为5698%，最大隧穿电阻率为1771%。从费米能级处的透射谱可以得知，高的隧穿磁阻率和隧穿电阻率主要是由于平行磁阻态下的自旋向上电子的透射能力具有显著差异。 图2 双层 $\mathrm{In}_2\mathrm{S}_3$ 作为隧道势垒的多铁隧道结在（a）AFE-T-2IS,（b）AFE-H-2IS,（c）FE-R-2IS和（d）FE-L-2IS状态下的结构示意图。（e）AFE-T-2IS,（f）AFE-H-2IS,（g）FE-R-2IS和（h）FE-L-2IS态下多铁隧道结自旋分辨的零偏压透射系数曲线。（i）AFE-T-2IS,（j）AFE-H-2IS,（k）FE-R-2IS和（l）FE-L-2IS态下多铁隧道结自旋分辨的透射谱。 为了进一步探究这种差异的原因，计算了双层 $\mathrm{In}_2\mathrm{S}_3$ 作为隧道势垒的多铁隧道结在各种状态下 $\mathrm{Mn}_2\mathrm{Se}_3$ 和 $\mathrm{In}_2\mathrm{S}_3$ 层的态密度。从图3中可知，由于受到 $\mathrm{Mn}_2\mathrm{Se}_3$ 铁磁层的影响，$\mathrm{In}_2\mathrm{S}_3$ 层在费米面处产生了新的态密度，这是造成器件导电能力不同的主要原因。最后本文阐述了器件可能应用的方向。双层 $\mathrm{In}_2\mathrm{S}_3$ 器件的八个导电状态可以简并为如图4（a）所示的四种可显著分辨的导电状态，仅用两个隧道结单元就可以实现十六种存储状态，用于多态存储，如图4（b）所示。另外，可以将一个隧道结单元等效成为一个磁电开关，用磁场开关控制电路的通断，电场开关控制电流的大小，如图4（c）所示。将多个隧道结单元排列成如图4（d）所示的 N×N 阵列，在输入端加一系列电压，根据基尔霍夫定律和欧姆定律，在输出端可以得到一系列电流，从而完成一次乘法累加运算。由于每个多铁隧道结本身具有数据存储的能力，这样就可以将“存”和“算”集成在同一器件单元上，实现存算一体。 图3 双层 $\mathrm{In}2\mathrm{S}_3$ 作为隧道势垒的多铁隧道结在（a）AFE-T-2IS，（b）AFE-H-2IS，（c）FE-R-2IS和（d）FE-L-2IS状态下各个 $\mathrm{Mn}_2\mathrm{Se}_3$ […]

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