基于WSe₂结构上存在的负磁阻现象

0 1引言

WSe₂属于TMD家族，具有层依赖性带隙，从1.2 eV(块体)到1.65 eV(单分子层)不等。单分子层WSe₂作为一种极具发展前景的二维半导体，因其独特的物理特性和在电子学、光电子学和自旋电子学等方面的潜在应用而备受关注。目前，二维WSe₂中的电子输运研究主要集中在横向结构上，如场效应晶体管、光电器件、自旋电子和谷电子器件。作为一种自旋阀结构，在实验中观察到WSe₂结构上存在负磁阻现象。尽管对TMD磁阻器件特别是基于MoS₂磁阻结的大量实验研究，但对WSe₂器件的实验和理论研究都很缺乏。磁阻是如何随WSe₂厚度变化的还不清楚。

0 2成果简介

哈尔滨工业大学（深圳）陈晓彬老师课题组（第一作者：严坤）基于鸿之微量子输运计算软件Nanodcal进行模拟计算，研究了具有m层WSe₂（m=1,2,...,6)的Ni/WSe₂/Ni结的磁阻特性。对于m≤ 2，这些结是金属的，尽管少层WSe₂材料本身具有半导体特征。然而，当m>3时，结存在出输运带隙。有趣的是，当中心层有多个WSe₂层时，结的磁阻保持在6%左右，这与界面性质的稳定空间变化密切相关，并可归因于隧道区域没有自旋翻转。我们的结果表明，Ni/WSe₂/Ni结具有稳定的磁阻，对WSe₂的厚度不敏感。

0 3图文导读

图 1. (a)输运结Ni/m-WSe2/Ni示意图，上m=1,下m=2。 (b) 用矩形单元胞计算单层WSe2的能带结构，(蓝线)和(灰虚线)表示与电极晶格匹配之前和之后的能带。 (c) 块体Ni和界面附近Ni原子的局域态密度[在(a)的红色框内]。

图 2. Ni/m- WSe2 /Ni结在(a) m = 1，(b) m = 2，(c) m = 3，(d) m = 5下的零偏置自旋分辨透射，费米能量设为零，自旋分辨传输分别用黑色实线和红色虚线表示。

图 2. Ni/m- WSe2 /Ni结在(a) m = 1，(b) m = 2，(c) m = 3，(d) m = 5下的零偏置自旋分辨透射，费米能量设为零，自旋分辨传输分别用黑色实线和红色虚线表示。

图 4. (a) Ni/1- WSe2/Ni结，(b) Ni/3-WSe2/Ni结在费米能级下的自旋和k空间分辨传输。

图 5. 自旋向下透射谱中峰值处的散射态分布，(a) Ni/1- WSe2/Ni，(b) Ni/3-WSe2/Ni

图 6. (a) Ni/m-WSe2/Ni结的磁阻(MR)作为m的函数，即WSe2层数。(b-c) 1层和3层结的局部磁矩分布。(d) Ni/m- WSe2 /Ni (m=1,2,3,5)沿输运方向Ni原子层平均磁矩值及其变化。

0 4小结

我们利用第一性原理方法结合非平衡格林函数，计算了Ni/m-WSe₂/Ni结的量子输运性质。结果表明，当m≤2时Ni/m- WSe₂/Ni结为金属自旋阀，当m> 2时Ni/m- WSe₂/Ni结为隧道结。金属性可归因于界面上Ni和Se原子之间的键合。当m = 1时，Ni/m- WSe₂/N结的磁阻为14.8%。对于m > 2，磁阻保持在6%左右。Ni/m- WSe₂/Ni结磁阻的鲁棒性与界面性质随层数m的变化一致。进一步的分析表明，自旋只在最邻近的WSe₂层翻转，由于Ni和WSe₂之间的界面耦合，这是金属层，导致当m>2时，Ni/m-WSe₂/Ni结具有稳定的MR。对于中间有少量WSe₂层的Ni/WSe₂/Ni结，在低偏置电压下，MR对层数(厚度)的鲁棒性预期是有效的。

审核编辑：彭静