基于Fe₃GeTe₂/InSe的范德瓦尔斯磁性隧道结

来源：ACS美国化学会

随着摩尔定律逐渐失去其有效性，迫切需要开发可替代的高速、低能耗的先进后硅材料信息技术。磁性隧道结(MTJs)中隧穿磁阻(TMR)的出现对磁信息学产生了巨大的经济影响，已广泛运用于MRAM、射频传感器、微波发生器和神经形态计算网络。然而，随着尺寸进一步减小，传统的磁性隧道结面临界面氧化等问题，不能满足人类的迫切需求。近年来，通过大规模的化学气相沉积生长，出现了各种具有天然单层的2D材料。随着转移技术的发展，人们可以利用不同2D材料堆垛形成异质结去做原子级厚度的隧道势垒。通过对2D材料的厚度、界面和垂直磁各向异性的逐层控制，为制造高性能MTJs提供了可靠的解决方案。

近年来基于范德瓦尔斯(vdW)的磁性隧道结应运而生，所报道的隧穿磁阻远远高于传统的磁性隧道结。山东大学李辉教授团队利用密度泛函理论结合非平衡格林函数(NEGF)方法，首次提出了Fe₃GeTe₂|InSe|Fe₃GeTe₂ 范德瓦尔斯(vdW)MTJs。所选的金属铁磁电极Fe₃GeTe₂具有高居里温度, 已被证明是优秀的vdW MTJs电极。此外，中间阻隔层选择晶格失配较低且具有高电子迁移率和高稳定性的半导体InSe。所设计的MTJ显示出同等的自旋向上和自旋向下过滤能力。通过改变偏压极性就可以获得不同的自旋极化电流。此外，也表现出高达700%的隧穿磁阻(TMR)。通过对透射谱和复能带的分析，给出了这一有趣现象背后的物理机制。这项工作的结果将为设计二维自旋电子逻辑器件、超快磁动力器件和用于新一代计算机的信息存储器件提供理论基础。

相关工作以封面文章形式发表在The Journal of Physical Chemistry C上。山东大学博士生张力舒为论文第一作者，山东大学蒋妍彦教授、江苏大学袁加仁博士与山东大学李辉教授为通讯作者。

电子可以从一个铁磁电极隧穿到另一个铁磁电极，并且两个铁磁层在平行态中的磁化率远大于在反平行态中的磁化率。平行态的定义是在两个铁磁电极的自旋磁序是平行的。也就是说，左右电极都是自旋向上的。而对于反平行态，两个铁磁电极的自旋磁序是反平行的。在此研究中，左电极自旋向上，右电极自旋向下。可以看出，对于平行态，自旋向上的电流一般随着偏压的增加而增加。并且正负偏差下的曲线形状呈几何对称。值得注意的是，平行态的自旋向下的电流总是截止的。而对于反平行态来说，如图1所示，自旋向上和自旋向下的电流都具有“开”状态，这不同于平行态。当偏压为正时，只有自旋向下的情况有电子传输，而自旋向上的电流被截止。当偏置电压为负时，电流表现则相反，即自旋向上的电流有一个显著的峰值，而自旋向下的情况下没有电流。

图1 自旋相关的I-V特性：(a) Fe₃GeTe₂|InSe|Fe₃GeTe₂ MTJ的平行态，(b) Fe₃GeTe₂|InSe|Fe₃GeTe₂ MTJ的反平行态。

图2 平衡态下Fe₃GeTe₂|InSe|Fe₃GeTe₂ vdW MTJ求解k||= (ka, kb)的透射谱：(a)平行磁态的自旋向上通道；(b)平行磁态的自旋向下通道；(c)反平行磁态的自旋向上通道；(d)反平行磁态的自旋向下通道。

计算了隧穿材料InSe势垒的复能带结构，如图3所示。复能带是对应于k向量(动量)虚部的本征值，它给出了半导体中消失态的衰减信息。从图3可以看出，电子的隧穿概率通过InSe层呈指数衰减。复能带图中的紫色线具有最低的衰减率，并具有Δ1对称的消失态。这是因为InSe最接近费米能级的导带和价带主要是S轨道贡献的。这些Δ1态具有最低的势垒高度，因此电子隧穿在Fe₃GeTe₂|InSe|Fe₃GeTe₂ MTJ器件中起着主导作用。Fe₃GeTe₂的自旋极化能带结构也在图3(b)中给出。类似地，靠近费米能级的能带也是Δ1对称态，与InSe隧穿势垒相匹配。特别地，当两个铁磁电极的磁化方向平行时(平行态)，Fe₃GeTe₂ 铁磁层中Δ1对称的电子具有最大传输。但当它们处于反平行时，由于电极自旋通道中Δ1态的不匹配，很少出现传输。因此，InSe的Δ1带可以作为Fe₃GeTe₂电极的Δ1对称的自旋滤波器，类似于传统的含有Fe或其他铁磁合金的MgO势垒的自旋滤波效应，在Fe₃GeTe₂|InSe|Fe₃GeTe₂ MTJ中提供相当大的TMR。

图3 (a)InSe部分的复能带。右边的面板显示了真实的波段，其中解k由垂直层间隔L归一化。左边的面板描绘了x轴上笛卡尔坐标倒数的复杂波段。(b) Fe₃GeTe₂的能带结构。黑线代表向上旋转，红线代表向下旋转。费米能级用绿色虚线标出。