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。
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。
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。
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。
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。
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。
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