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 […]
