基于双层h-BN滑移铁电的范德华多铁隧道结电输运性质研究

山西师范大学 许小红教授课题组(严志博士和董新龙副教授合作)

01 引言

随着当前对更快、更小和非易失性电子产品的需求不断增加，传统的硅基半导体器件正被推向更小的尺寸。近年来，2D范德华(vdW)多铁隧道结(MFTJ)器件因其重要的多功能技术应用脱颖而出，它结合了磁性隧道结(MTJ)的隧道磁阻(TMR)效应和铁电隧道结(FTJ)的隧穿电阻(TER)效应。科学杂志2021年第372期的两篇文章(分别为“Science 2021, 372, 1458”和“Science 2021, 372, 1462”)报道了双层六方氮化硼(BBN)中的铁电极化及其新型滑移反转机制的实验结果，这为范德华多铁隧道结的进一步发展开辟了新的发展策略。截至当前，利用范德华滑移铁电材料与二维磁性材料构建多铁隧道结目前还没有报到，这值得实验和理论进一步的探究。

02 成果简介

本课题我们利用基于非平衡格林函数和密度泛函理论的鸿之微自主版权计算软件Nanodcal，研究了FGT/Gr-BBN-Gr/CrI多铁性隧道结的自旋极化的电子输运特性。该隧道结表现出四种非易失性阻态，与滑移铁电BBN的不同堆叠方式和铁磁自由层CrI3的磁化方向有关。该MFTJ在某一特定偏压下，TMR(TER)可以高达3.36×104%(6.68×103%)。此外，该隧道结还表现出几乎完美的自旋过滤和显著的负微分电阻效应。我们还发现，通过施加面内双轴应力，可以提高平衡态下的TMR、TER和自旋极化率。本文的研究结果表明基于滑移铁电BBN的多铁性隧道结在非易失性存储器中的应用有着巨大的潜力，其拥有巨大的隧穿电阻比、多重电阻态和优异的自旋极化输运特性。

03 图文导读

图1 (a-c)FGT/h-BN/CrI-Gr中各种界面的总能量与不同堆叠方式的关系函数;(d)FGT/Gr-BBN-Gr/CrI多铁性隧道结器件的示意图。

图2 FGT/Gr-BBN-Gr/CrI多铁性隧道结中心散射区的差电荷密度图;(a)没有单层石墨烯;(b)有单层石墨烯。

图3 平衡态下FGT/Gr-BBN-Gr/CrI隧道结沿输运方向在中心散射区域xy平面上的实空间PDOS分布。(a-d)AB堆叠;(e-h)BA堆叠。

图4 FGT/Gr-BBN-Gr/CrI隧道结中心散射区的库伦势能沿输运方向的分布。(a)AB堆叠;(b)BA堆叠。

图5 FGT/Gr-BBN-Gr/CrI隧道结在费米能级处的二维布里渊区内的电子透射谱。(a-b)AB堆叠;(c-d)BA堆叠。

图6 不同堆叠方式下的FGT/Gr-BBN-Gr /CrI多铁隧道结的(a)TMR、(b)TER和(c-d)自旋极化率作为面内双轴应力的函数。

图7 FGT/ Gr-BBN-Gr /CrI多铁隧道结在不同堆叠方式下的电流(a)、(b)、(e)和(f)、自旋注入效率(c)和(g)以及TMR值(d)和TER值(h)随偏压的演化。

图8 FGT/Gr-BBN-Gr/CrI隧道结在二维布里渊区内自旋分辨的电子透射谱(a)、(b)、(d)和(e)，以及在偏压下的透射系数作为能量的函数(c)和(f);(a)~(c) −0.2V;(d)~(f)0.2 V。

04 小结

本文基于第一性原理计算研究了 FGT/Gr-BBN-Gr/CrI 多铁性隧道结的自旋极化的电子输运特性。我们发现了该隧道结中四种非易失性电阻状态，以及通过施加偏压或面内双轴应变可以调控这些阻态。在偏压为 −0.2 V (0.2 V) 时，达到的最大TMR (TER)值，为 3.36×104% (6.68×103%)。此外，还观察到完美的自旋过滤和负微分电阻效应。研究结果揭示了二维范德华铁磁体和滑移铁电体在原子级自旋电子学器件中具有重要的应用潜力，为实验设计新型范德华多铁隧道结提供了有益的理论向导。

审核编辑：汤梓红