【QuantumATK亮点文章】二维反铁磁CrPS4磁隧道结中的尺寸效应

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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。

图1. CrPS4晶格结构与不同磁有序的能带结构

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。

图2. Au/二维CrPS4/Au 磁隧道结结构示意图;电导、自旋极化率以及隧穿磁电阻随 CrPS4 隧穿层厚度变化关系

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。

图3. 石墨/二维CrPS4/石墨磁隧道结结构示意图;不同电极下,隧穿磁电阻与隧穿层厚度的依赖关系

 

图4. 不同电极情况下的自旋分辨的局域态密度(3层CrPS4为例)

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

参考

  • Jie Yang, Shibo Fang, Yuxuan Peng, Shiqi Liu, Baochun Wu, Ruge Quhe, Shilei Ding, Chen Yang, Jiachen Ma, Bowen Shi, Linqiang Xu, Xiaotian Sun, Guang Tian, Changsheng Wang, Junjie Shi, Jing Lu, and Jinbo Yang,Phys. Rev. Applied 16, 024011,2021
 
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