电极晶型调控 VSe2 基范德华磁隧道结的自旋转移力矩

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研究背景

磁隧道结是磁随机存取存储器的重要组成部分。通过改变两个铁磁层的相对磁化方向,器件可以在不同电阻态之间切换,实现信息读取;利用自旋转移力矩(STT),则有望通过电流直接驱动磁化翻转,实现电写入。对于低功耗存储器而言,高磁阻有利于区分存储状态,较低的翻转电流和电压有利于降低写入能耗,如何协调这两类性能是器件设计的关键。二维范德华材料为构建原子级厚度的磁隧道结提供了材料平台。除磁性层和隧穿势垒之外,外接电极的晶体结构也会改变界面耦合与电子输运。

研究内容

本研究采用 QuantumATK 软件中结合密度泛函理论与非平衡格林函数(DFT-NEGF)的方法开展电子结构和输运计算,并在非共线磁隧道结计算中考虑自旋轨道耦合。首先构建 TaS2/1T-VSe2/TaS2 异质结构,考察电极晶型如何影响界面电子态。1T 与 2H 相 TaS2 均具有金属性,但其面外能带、界面间距和轨道杂化不同,因此会形成不同的自旋依赖输运通道。

图 1. 分别采用 1T-TaS2 和 2H-TaS2 电极的 TaS2/1T-VSe2/TaS2 异质结构的(a-b)原子结构和(c-d)TaS2 层与 VSe2 层在费米能级处的局域态密度(LDOS)。在 1T 构型中,VSe2 层与 TaS2 电极之间的层间距离在 1T-TaS2 一侧为 3.57 Å,在 VSe2 一侧为 3.51 Å;而在 2H 构型中,两个界面的距离均为 3.38 Å。自旋分辨 LDOS(蓝色表示自旋向上,红色表示自旋向下)显示了各层的电子贡献,阴影区域对应 1T-VSe2 层的 LDOS,突出了该层对异质结构电子性质的贡献。

在此基础上,将单层 2H-MoS2 插入两个 1T-VSe2 铁磁层之间,形成 TaS2/1T-VSe2/2H-MoS2/1T-VSe2/TaS2 磁隧道结。自由单层 MoS2 是半导体,接入异质结构后,其费米能级附近出现与隧穿过程有关的金属诱导带隙态。两种电极晶型下的态密度差异表明,电极与中间层的电子耦合能够进一步改变势垒中的可用态。

图 2. 自由单层 2H-MoS2 的(a)原子结构和(b)态密度(DOS),以及其集成到以(c)半无限 1T 和(d)2H-TaS2 为电极的 TaS2/1T-VSe2/2H-MoS2/1T-VSe2/TaS2 异质结构磁隧道结中的情况。能量 E 以费米能级(E_F = 0)为参考,竖直虚线表示费米能级。自由态与集成态之间的 DOS 变化揭示了 MoS2 单层与不同相 TaS2 电极之间电子耦合的影响。

为考察磁化方向对读出性能的影响,研究固定左侧 VSe2 层的磁化方向,将右侧磁化方向在 xz 平面内从 0° 旋转至 180°。两类器件的总电导均随夹角增大而下降,反平行构型下磁阻达到最大值:1T 器件为 168%,2H 器件为 1419%。平行构型下,二者的 z 方向自旋极化率分别约为 91% 和 95%。这些结果说明,2H 电极能够增强电阻对磁化方向变化的响应,为提高状态读出对比度提供思路。

图 3.(a)1T-TaS2/1T-VSe2/2H-MoS2/1T-VSe2/1T-TaS2 和(b)2H-TaS2/1T-VSe2/2H-MoS2/1T-VSe2/2H-TaS2 器件几何结构的侧视图并标注了结构弛豫后的层间距离。左侧 1T-VSe2 电极的磁化矢量 M 固定,右侧 1T-VSe2 电极的磁化方向相对于固定磁化方向旋转 θ 角。(c-h)显示分别采用 1T-TaS2 和 2H-TaS2 电极的磁隧道结中非共线自旋分辨电导 G、自旋极化 P 和角度依赖隧穿磁阻 ATMR 随 θ 的变化。ATMR 定义为平行(θ = 0°)与反平行(θ = 180°)磁化构型之间电阻变化的百分比。这些计算考虑了自旋轨道耦合效应。

为解释磁阻的角度依赖性,进一步分析费米能级处的面内波矢分辨透射。随着磁化夹角由 0° 增大到 180°,透射热点的强度与分布随之变化,2H 器件中的透射受到更明显抑制。这些结果将宏观电导变化与布里渊区中的输运通道联系起来,说明电极晶型能够影响电子穿过异质结构的方式。

图 4. 采用半无限 1T 和 2H-TaS2 电极的 1T-VSe2/2H-MoS2/1T-VSe2 的角度分辨透射。对于夹在半无限 TaS2 电极之间的 1T-VSe2/2H-MoS2/1T-VSe2 异质结构,展示了按平行波矢 k∥ 分辨的自旋求和透射概率随磁化夹角 θ 的变化。上排对应 1T 相 TaS2 电极,下排对应 2H 相 TaS2 电极。左侧 1T-VSe2 电极的磁化矢量 M 固定,右侧 1T-VSe2 电极的磁化方向相对于固定磁化方向旋转 θ 角。各面板展示四种磁化夹角下的透射,θ = 0°、45°、90° 和 180°。计算在费米能级(E = E_F)处进行,考虑了自旋轨道耦合效应。色标表示透射概率,从 0(低透射)到 1(高透射)。结果揭示了磁化方向的角度变化和电极相对电子透射性质的影响。

原子尺度的力矩分布进一步显示,自旋角动量转移主要集中在磁性层附近,并随两侧磁化方向的相对夹角变化。在 45° 和 90° 构型下,力矩的 x、z 分量呈现不同的空间分布;改变 TaS2 电极晶型也会改变力矩幅值。这为理解两种器件不同的磁化驱动效率提供了微观依据。

图 5. 采用(a-b)半无限 1T-TaS2 和(c-d)2H-TaS2 电极的 1T-VSe2/2H-MoS2/1T-VSe2 结中,线性响应自旋转移力矩 x 分量和 z 分量(τ_x 和 τ_z)的原子尺度分布。计算在零偏压下进行。

在写入机制方面,计算零偏压附近的线性响应自旋转移力矩。两种器件的力矩幅值均在磁化夹角约 90° 时最大,并在接近平行或反平行排列时减小。图 6 与原文表 2 显示,θ = 90° 时,1T 和 2H 器件的 z 分量力矩响应系数分别为 −1561 和 −702 μeV/V。这里的单位表示单位偏压所对应的力矩响应,反映小偏压下驱动磁化变化的能力。

图 6. 零偏压下,采用半无限 1T 和 2H-TaS2 电极的磁隧道结中自旋转移力矩 z 分量的角度依赖关系。比较零偏压下两种器件构型中磁隧道结(MTJ)的线性响应自旋转移力矩 z 分量(τ_z):1T-TaS2 电极(蓝线)和 2H-TaS2 电极(红线)。自旋转移力矩作为磁化夹角 θ 的函数进行计算,其中一个铁磁 1T-VSe2 层的磁化方向固定,另一个铁磁 1T-VSe2 层的磁化方向从 0° 旋转至 180°。结果显示了 τ_z 的角度依赖性,表明 1T 相构型中的力矩强于 2H 相构型。计算在零偏压下进行,考虑了自旋轨道耦合效应。

进一步结合磁晶各向异性能和 Gilbert 阻尼,估算磁化翻转的临界条件。1T 器件的阻尼因子为 0.0033,显著低于 2H 器件的 0.16578;相应的临界电流密度和临界电压分别为 0.79 MA/cm2、1.20 mV,而 2H 器件分别为 14.44 MA/cm2、82.65 mV。尽管 2H 器件具有更高磁阻,1T 器件在降低理论写入阈值方面更有优势,说明读出对比度与写入能耗需要联合优化。

总结

该研究表明,外接电极的晶型是调节二维磁隧道结性能的重要设计变量。通过选择 1T 或 2H 相 TaS2,可在同一 VSe2/MoS2/VSe2 材料体系中改变界面电子态、自旋输运与磁化动力学。2H 电极带来更高的磁阻响应,1T 电极则兼具更强的力矩响应、更低的阻尼和更低的磁化翻转阈值。相关数值基于理想结构的第一性原理计算,实际器件仍需考虑界面粗糙、缺陷和制备条件的影响。该工作为兼顾读出性能与低功耗写入的范德华自旋存储器设计提供了理论依据。

参考文献

  • Davoudiniya M, Sanyal B. Tuning of spin-transfer torque in VSe2-based vdW magnetic tunnel junctions by electrode polytypes. npj 2D Materials and Applications, 2025, 9: 40.
  • https://doi.org/10.1038/s41699-025-00560-6

 
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