面向光辅助存储的范德华多铁隧道结设计

研究背景

随着人工智能、物联网和边缘计算的发展，信息器件需要在更小尺寸下实现更高密度、更低功耗和更丰富的状态编码。多铁隧道结（MFTJ）能够同时利用铁电极化和磁构型调控隧穿电流，有望通过隧穿电致电阻（TER）和隧穿磁电阻（TMR）实现多阻态非易失存储。然而，传统氧化物多铁隧道结常受到界面缺陷、接触电阻和较大电阻面积乘积（RA product）的限制，难以兼顾高开关比与低读写功耗。二维范德华材料表面无悬挂键、界面洁净，可在原子级厚度下构建高质量铁电/铁磁异质结，为低 RA、多阻态自旋电子器件提供了新的材料平台。该研究基于第一性原理和 DFT-NEGF 输运计算，提出由半金属 CoGa₂Se₄ 电极夹持铁电双层 Ga₂Se₃ 的 Cu/CoGa₂Se₄/bilayer-Ga₂Se₃/CoGa₂Se₄/Cu 范德华反铁电多铁隧道结（AFMFTJ）。研究重点在于揭示铁电极化如何驱动界面准欧姆/肖特基接触转换，并进一步实现巨 TER、显著 TMR、低 RA 以及可反向切换的光响应。

研究内容

首先构建四层半金属/铁电/铁电/半金属范德华异质结构模型。双层 Ga₂Se₃ 可形成 FE-R、FE-L、AFE-H 和 AFE-T 四种极化态，不同极化方向改变界面电荷转移与内建电场，从而调节两侧 CoGa₂Se₄/Ga₂Se₃ 接触类型。该思路将铁电极化从“调势垒高度”进一步扩展到“调界面接触”，为多阻态隧穿结设计提供了更直接的物理手段。

材料性质方面，单层 CoGa₂Se₄ 表现出半金属性，自旋向下通道具有约 0.80 eV 能隙，可作为高自旋极化电极；单层 Ga₂Se₃ 为稳定半导体，间接带隙约 1.05 eV，并具有可翻转的面外铁电极化。二者通过范德华作用堆叠后，既保持各自功能特征，又形成可由极化调控的界面能带排列。

能带计算表明，四种极化态对应完全不同的界面接触。FE-R 和 FE-L 中，一个界面接近准欧姆接触，另一个界面形成肖特基势垒；AFE-H 中两侧界面均趋向准欧姆接触；AFE-T 中两侧界面均表现为肖特基接触。该接触转换来源于 CoGa₂Se₄ 与双层 Ga₂Se₃ 之间的功函数差、极化场驱动的能带移动以及多界面电子转移。

在 Cu 电极接入后的 AFMFTJ 器件中，系统计算平行与反平行磁构型下的透射谱、投影局域态密度和零偏电导。结果显示，铁电态与磁构型协同作用可形成多个非易失电阻态；TER 最高达到 5.43×10⁴ %，TMR 最高达到 1.16×10³ %，自旋过滤效率在平行态下超过 80%。更重要的是，器件 RA product 可低至 0.1 Ω μm²，显著优于许多传统多铁隧道结对低阻读出能力的限制。

除电输运外，该工作还提出了双向光响应与光辅助存储方案。在 FE-R 与 FE-L 状态下，双层 Ga₂Se₃ 的能带呈 type-II 排列，光生电子和空穴可沿相反方向分离，因此光电流方向能够随铁电极化反转，光响应度分别可达 +23.3 mA/W 和 -23.3 mA/W。相比之下，AFE-H 与 AFE-T 状态下能带近似简并，光生载流子难以形成定向分离，光响应接近零。由此可将强/弱光响应编码为二进制“1/0”，实现光辅助铁电存储与逻辑读取。

总结

该研究证明，通过铁电可调的范德华界面工程，可以在同一多铁隧道结中同时实现巨隧穿电致电阻、显著隧穿磁电阻、低 RA product 和可切换双向光响应。CoGa₂Se₄/bilayer-Ga₂Se₃/CoGa₂Se₄ 异质结构中，极化场驱动的准欧姆/肖特基接触转换是多阻态产生的核心机制；而双层 Ga₂Se₃ 的极化依赖能带排列则赋予器件光辅助存储能力。该工作为多级非易失光电自旋存储器件提供了清晰的材料设计思路。

参考文献

• Yang Z, Qin S A, Ruan B F, et al.  Van der Waals multiferroic tunnel junction with giant tunneling electroresistance and magnetoresistance toward bidirectional photoresponse and photoassisted memory. Physical Review B, 2025, 112(11): 115312.
• https://doi.org/10.1103/9m1x-q7dn

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