山西師范大學 許小紅教授課題組(嚴志博士和董新龍副教授合作)

01 引言

隨著當前對更快、更小和非易失性電子產品的需求不斷增加，傳統的硅基半導體器件正被推向更小的尺寸。近年來，2D范德華(vdW)多鐵隧道結(MFTJ)器件因其重要的多功能技術應用脫穎而出，它結合了磁性隧道結(MTJ)的隧道磁阻(TMR)效應和鐵電隧道結(FTJ)的隧穿電阻(TER)效應。科學雜志2021年第372期的兩篇文章(分別為“Science 2021, 372, 1458”和“Science 2021, 372, 1462”)報道了雙層六方氮化硼(BBN)中的鐵電極化及其新型滑移反轉機制的實驗結果，這為范德華多鐵隧道結的進一步發展開辟了新的發展策略。截至當前，利用范德華滑移鐵電材料與二維磁性材料構建多鐵隧道結目前還沒有報到，這值得實驗和理論進一步的探究。

02 成果簡介

本課題我們利用基于非平衡格林函數和密度泛函理論的鴻之微自主版權計算軟件Nanodcal，研究了FGT/Gr-BBN-Gr/CrI多鐵性隧道結的自旋極化的電子輸運特性。該隧道結表現出四種非易失性阻態，與滑移鐵電BBN的不同堆疊方式和鐵磁自由層CrI3的磁化方向有關。該MFTJ在某一特定偏壓下，TMR(TER)可以高達3.36×104%(6.68×103%)。此外，該隧道結還表現出幾乎完美的自旋過濾和顯著的負微分電阻效應。我們還發現，通過施加面內雙軸應力，可以提高平衡態下的TMR、TER和自旋極化率。本文的研究結果表明基于滑移鐵電BBN的多鐵性隧道結在非易失性存儲器中的應用有著巨大的潛力，其擁有巨大的隧穿電阻比、多重電阻態和優異的自旋極化輸運特性。

03 圖文導讀

圖1 (a-c)FGT/h-BN/CrI-Gr中各種界面的總能量與不同堆疊方式的關系函數;(d)FGT/Gr-BBN-Gr/CrI多鐵性隧道結器件的示意圖。

圖2 FGT/Gr-BBN-Gr/CrI多鐵性隧道結中心散射區的差電荷密度圖;(a)沒有單層石墨烯;(b)有單層石墨烯。

圖3 平衡態下FGT/Gr-BBN-Gr/CrI隧道結沿輸運方向在中心散射區域xy平面上的實空間PDOS分布。(a-d)AB堆疊;(e-h)BA堆疊。

圖4 FGT/Gr-BBN-Gr/CrI隧道結中心散射區的庫倫勢能沿輸運方向的分布。(a)AB堆疊;(b)BA堆疊。

圖5 FGT/Gr-BBN-Gr/CrI隧道結在費米能級處的二維布里淵區內的電子透射譜。(a-b)AB堆疊;(c-d)BA堆疊。

圖6 不同堆疊方式下的FGT/Gr-BBN-Gr /CrI多鐵隧道結的(a)TMR、(b)TER和(c-d)自旋極化率作為面內雙軸應力的函數。

圖7 FGT/ Gr-BBN-Gr /CrI多鐵隧道結在不同堆疊方式下的電流(a)、(b)、(e)和(f)、自旋注入效率(c)和(g)以及TMR值(d)和TER值(h)隨偏壓的演化。

圖8 FGT/Gr-BBN-Gr/CrI隧道結在二維布里淵區內自旋分辨的電子透射譜(a)、(b)、(d)和(e)，以及在偏壓下的透射系數作為能量的函數(c)和(f);(a)~(c) ?0.2V;(d)~(f)0.2 V。

04 小結

本文基于第一性原理計算研究了 FGT/Gr-BBN-Gr/CrI 多鐵性隧道結的自旋極化的電子輸運特性。我們發現了該隧道結中四種非易失性電阻狀態，以及通過施加偏壓或面內雙軸應變可以調控這些阻態。在偏壓為 ?0.2 V (0.2 V) 時，達到的最大TMR (TER)值，為 3.36×104% (6.68×103%)。此外，還觀察到完美的自旋過濾和負微分電阻效應。研究結果揭示了二維范德華鐵磁體和滑移鐵電體在原子級自旋電子學器件中具有重要的應用潛力，為實驗設計新型范德華多鐵隧道結提供了有益的理論向導。

審核編輯：湯梓紅