交错磁中相干隧穿磁阻的异常厚度缩放特性

研究背景

磁隧穿结（MTJ）是自旋电子学中的基本组成部分，通过巨磁电阻效应实现非易失性存储功能。减小 MTJ 厚度是提升存储密度、高速操作和自旋轨道耦合效率的关键。最近，新型磁体–交错磁（AM）材料因具有在实空间和动量空间中的交替自旋极化受到了广泛关注，它们表现出巨大的自旋劈裂而不具备净磁矩，成为超紧凑型 MTJ 集成的理想平台。在传统 MTJ 中，隧穿磁阻（TMR）通常会随着势垒厚度的增加而增大，这是因为反平行态下电子的隧穿衰减速度比平行态更快。本工作揭示了一种在交错磁隧穿结（AMTJ）中 TMR 随着势垒厚度增加而减小的反常规律，这是由于交错磁的能带中自旋简并部分形成了一条在反平行态下无法被抑制的隧穿通道，该现象进一步在二维 V₂Te₂O/Cr₂Se₂O/V₂Te₂O 和 V₂Te₂O/ZnSe/V₂Te₂O AMTJ 中得以验证。

研究内容

本文首先对 AMTJ 的 TMR 随着厚度变化的物理机理进行理论分析并提出双势垒模型，将自旋劈裂的费米面分为外部区域 A 和中心区域 B。在 AP 配置中，左右电极的 Néel 矢量是反平行的，区域 A 的自旋匹配问题使得该区域的电子透射可以有效抑制，被称为有效区域。而区域 B 的传输通道在 AP 配置下仍然保持开启，因为自旋分裂的两个费米面重叠，形成了一个自旋简并的传输通道，在 P 和 AP 状态下都保持开放，也被称为无效区域。根据隧穿理论，TMR 随着中间层厚度的变化可以用以下公式表达：

其中 k_A 和 k_B 分别为区域 A 和区域 B 的衰减系数。本文探讨了两种情景下的 TMR 行为：当 k_A 小于 k_B 时，TMR 随势垒厚度增加而增加，符合传统的缩放规律；而当 k_A 大于 k_B 时，表现为反常的缩放现象。

随后采用密度泛函理论结合非平衡格林函数方法，研究具有不同势垒厚度的 V₂Te₂O/Cr₂Se₂O/V₂Te₂O 和 V₂Te₂O/ZnSe/V₂Te₂O AMTJ 器件以验证这一反常规律。首先，通过计算能带结构，V₂Te₂O 和 Cr₂Se₂O 分别为二维交错磁金属和交错磁半导体，且均具有 d 波各向异性。

Cr₂Se₂O 的面外衰减系数 k 通过计算复能带得到。在倒空间中，可以观察到其也具有交错性质的衰减，在 Γ 点附近，自旋向上与自旋向下的电子具有几乎相同的衰减率。然而，具有不同自旋电子的衰减在 Γ-X 和 Γ-Y 方向上发生反转，且该区域的衰减较 Γ 点附近更大。

该 AMTJ 器件采用 2D 交错磁金属 V₂Te₂O 作为电极，2D 交错磁半导体 Cr₂Se₂O 作为绝缘层，其具有三种操作状态：平行态（P），电极和绝缘层的 Néel 矢量方向相同；中间态（I），绝缘层与电极的 Néel 矢量相反；反平行态（AP），两电极的 Néel 矢量方向相反。通过分析透射谱，可以发现，与 P 态相比，I 态在 Γ-X 和 Γ-Y 方向的透射明显减弱；而在 AP 态下，Γ-X 和 Γ-Y 方向的透射进一步被抑制。尽管如此，在 AP 态下，Γ 点附近的电子隧穿仍然存在，这表明该态下存在一定的传输通道。

通过改变中间绝缘层 Cr₂Se₂O 的层数发现，随着层数增大，TMR 呈现减小趋势。P 态的 TMR 从 220% 减至 40%，I 态从 137% 降到39%，与之前的理论分析一致。通过透射谱可以看出，Γ-X 和 Γ-Y 方向的透射随着层数增大有很明显的衰减，而 Γ 附近的透射仍就保持。

本研究还探讨了使用非磁性绝缘层材料 ZnSe 以及交错磁 V₂Te₂O 电极的隧穿结结构，以解决由相邻交错磁性层之间的强交换相互作用可能引起的磁不稳定性问题。ZnSe 是一种具有 2.26 eV 直接带隙的半导体。随着势垒厚度的增加，在 V₂Te₂O/ZnSe/V₂Te₂O AMTJ 中，TMR 从 206% 降至 0.9%，呈现出与全交错磁性结构类似的趋势。这一现象源于交错磁性材料中自旋简并和非简并 Bloch 态的共存，它们通过势垒的衰减速率不同。当自旋简并态衰减较慢时，便出现了反常的衰减行为，无论绝缘层是否为交错磁材料。

总结

本研究揭示了交错磁性隧穿结中 TMR 随着势垒厚度增加而下降的反常缩放行为。其背后的机制在于自旋简并态引发的持久传输通道，该通道在 P 与 AP 配置切换时几乎不受影响。为了解释这一现象，构建简化的双势垒模型区分有效和无效的自旋选择性传输。有效部分源自自旋劈裂态，随着势垒厚度增加迅速衰减，而无效部分则衰减较弱，并在较大厚度时主导总体传输。TMR 是否表现出反常的缩放行为，主要取决于有效区域和无效区域之间的衰减差异。通过在全交错磁 V₂Te₂O/Cr₂Se₂O/V₂Te₂O AMTJ 和非磁性 ZnSe 绝缘层的 AMTJ 上进行第一性原理量子输运模拟，验证了这一反常行为。研究结果不仅深入揭示了交错磁性材料的基本输运行为，还强调了影响基于交错磁性的磁性隧道结性能的关键设计因素。

参考文献

• Z Yang, X Yang, J Wang, et al. Unconventional thickness scaling of coherent tunnel magnetoresistance in altermagnets [J]. Physical Review B, 2025, 112 (20): 205202.
• https://doi.org/10.1103/2thy-fzzj

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