简介 磁隧穿结广泛应用于磁头、磁随机存储器等自旋电子学器件中，其磁电阻大小直接决定了器件的存储密度大小。基于二维磁性材料的磁隧穿结相比于传统的基于块体的磁隧穿结，由于具有表面平整无悬挂键等优点，在磁电阻上表现出明显的优势。目前实验上已经在以 2 层、3 层，4 层和 10 层 CrI3 为隧穿层的磁隧穿结中观测到了 310%、2000%、8600% 和 106 %的磁电阻，其中的最大值远远高于传统的基于 MgO 隧穿层的磁隧穿结(1000%)。因此，系统地研究基于二维磁性材料的磁隧穿结中磁电阻随层数的变化关系，将有助于突破目前磁隧穿密度的极限。基于此，北京大学吕劲研究员和杨金波教授课题组合作，采用第一性原理结合非平衡格林函数的方法，系统计算了以 2~12 层 CrI3 为隧穿层，以 Ag 为电极的磁隧穿结中的磁电阻变化，同时也探究了偏压、磁化方向等因素对磁电阻的影响。该研究结果为发展具有更高磁存储密度的低维自旋电子学器件提供了新的思路。 图1. CrI3晶格结构与不同层数和磁序下的能带结构   CrI3是一种层内铁磁耦合，层间反铁磁耦合的二维范德华磁性半导体。由于层间耦合较弱，其自旋分辨的能隙随层数变化较小。在以Ag为电极，以CrI3为隧穿层的磁隧穿结中，铁磁态的电导远远高于反铁磁的电导，且铁磁态情形下能够获得接近100%的自旋极化率。铁磁态电导随层数呈现奇偶振荡的变化趋势，而反铁磁态的自旋极化率则随层数呈现奇偶振荡的趋势。 图2. Ag/2~12层CrI3/Ag磁隧穿结结构示意图；电导、自旋极化率随层数变化情况 作者发现，以Ag的电极的磁隧穿结的磁电阻在7层以下呈奇偶振荡的变化的趋势，在7层以上则是呈单调递增的趋势，在12层CrI3的器件中获得了高达109%的磁电阻。通过与以石墨为电极的磁隧穿结计算结果的对比，以及对投影局域态密度的分析，作者图1. CrI3晶格结构与不同层数和磁序下的能带结构发现由金属电极引起的邻近CrI3层的金属化是引起磁电阻奇偶振荡的原因。 图3. 不同磁隧穿结中磁电阻随层数变化情况 图4. 不同电极情况下自旋分辨的投影局域态密度（以4层CrI3为例） 总结   本文利用QuantumATK软件，研究了基于二维CrI3的磁隧穿结的量子输运。研究发现，隧穿磁电阻与隧穿层层数大致呈正相关关系，计算获得了最高达到109%的磁电阻。另外，磁隧穿结中的金属电极是造成隧穿磁电阻振荡的关键。该工作证明了二维磁性材料在自旋电子学研究中的潜力，明确了层数对磁电阻的影响，对器件的实验实现具有指导意义。 参考文献   B. Wu, J. Yang, R. Quhe, S. Liu, C. Yang, Q. Li, J. Ma, Y. Peng, S. Fang, J. Shi, J. Yang, J. Lu […]

摘要 目前基于磁隧道结（MTJ）单元的磁性存储和处理器尚无法在二维范德华家族中实现，主要原因时缺乏合适的低维磁性材料。然而，原子层厚度的 Cr2Ge2Te6 和 CrX3（X=Cl, I, Br）等中被先后报道了长程磁有序，这些发现可被视作建立二维存储革命的里程碑。与传统 MgO 型磁隧道结相比，二维磁性材料的竞争力主要体现在以下几个方面：1）二维材料的表面平整，无悬挂键，这样的表面会在电极和隧道区域之间的界面处产生尖锐的自旋分辨态分布，减少能带展宽；2）均匀的表面产生均匀的势垒厚度，有利于全区域隧穿；3）弱层间磁耦作用具有低的临界磁场，连续的 MTJ 单元阵列还可显著放大磁阻。二维磁性材料有望成为突破目前磁存储密度的关键。基于此，北京大学吕劲研究员和杨金波教授课题组合作，以第一性原理结合非平衡格林函数的方法，研究了二维反铁磁 CrPS4 做隧穿层的磁隧道结的自旋可分辨的输运性质。该研究结果为发展具有更高磁存储密度的低维反铁磁自旋电子学器件提供了新思路。 CrPS4 是一种层内铁磁耦合，层间反铁磁耦合的范德华二维磁性半导体。作者以Au作电极，不同厚度的 CrPS4 作隧穿层，依次研究了具有 2~10 层 CrPS4 隧穿层的磁隧道结在铁磁态和反铁磁态下的量子输运，研究发现铁磁态的电导高于反铁磁的电导，且电导随着隧穿层厚度增加不断降低。作者通过电导率计算出了相应的隧穿磁电阻。整体上，隧穿磁电阻随着隧穿层厚度逐渐增加，最大可达 370,000%。在少层情况下，发现隧穿磁电阻有奇偶震荡行为。 作者发现，少层情况下的隧穿磁电阻大小奇偶震荡的原因来自电极选择。采用石墨作电极时，隧穿磁电阻随隧穿层厚度呈现单调上升趋势。通过局域态密度分析发现，Au 与相邻 CrPS4 会发生比较严重的杂化，抹平了反铁磁态（锯齿形的势垒形状）与铁磁态（平整的势垒形状）情况下不同形状的隧穿势垒差异，从而降低了两种磁有序下的电导差，使得隧穿磁电阻发生非单调性震荡行为。   总结 本文利用 QuantumATK 软件，研究基于二维 CrPS4 构成的磁隧道结的磁性输运。研究发现，隧穿磁电阻大小与隧穿层厚度呈现正相关，计算获得的 370000% 的隧穿磁电阻，是目前最高的磁电阻水平。此外，隧道结中的电极选择是影响少层隧穿磁电阻是否发生奇偶震荡的关键。该工作对明确了二维反铁磁在自旋电子学研究中的潜力，对器件的实验实现具有指导意义。 延伸阅读 自旋电子学 磁性与自旋电子学研究案例集（一） 自旋电子学 磁性与自旋电子学研究案例集（二） QuantumATK：磁性与自旋电子学模拟工具 QuantumATK在磁性材料与自旋电子学研究中的应用 参考 Jie Yang, Shibo Fang, Yuxuan Peng, Shiqi Liu, Baochun Wu, Ruge Quhe, […]