文献赏析｜二维MnBi2Te4基范德华磁隧道结中势垒层依赖的电输运特性

山西师范大学许小红教授课题组

（第一作者：严志）

严志^a,b、贾鑫^b、师小文^b、董新龙^b、许小红*^a,b

^a中国 山西临汾 041004 贡院街1号 山西师范大学 化学与材料科学学院

^b中国 山西临汾 041004 贡院街1号 山西师范大学 材料科学研究院

01 引言

随着电子器件的小型化，各种量子效应愈发显著，致使摩尔定律不再适用。因此迫切需要发展后硅基时代的先进材料用于开发下一代高性能、低功耗的电子器件。隧穿磁电阻技术在磁隧道结中的成功应用，推动了信息技术的快速发展，例如磁性随机存储器(MRAM)、高密度硬盘读头、磁性传感器等一系列重要自旋电子学器件。虽然磁隧道结已经得到了广泛的应用，但在提高其性能和稳定性方面仍然面临着许多重要的问题和挑战。其中，一个棘手的问题是如何消除铁磁层和势垒层界面处的接触电阻。层状范德华二维材料的出现为解决这一问题提供了可行性。特别是2017年以来，诸如CrI3等二维铁磁材料的成功制备，为下一代二维磁隧道结的发展带来了希望。

02 成果简介

山西师范大学许小红教授课题组（第一作者：严志）设计了如下图1（a-c）所示的三种由不同势垒层组成的MnBi₂Te₄（MBT）基范德华磁隧道结，并利用基于非平衡格林函数-密度泛函理论（NEGF-DFT）的第一性原理计算软件Nanodcal系统地研究了其电输运性质。如下图2所示，计算结果表明MnBi2Te4基范德华磁隧道结的高性能与势垒层的选取有关。当以h-BN作为势垒层时，在小的偏压下，可得到高达4000%的隧穿磁电阻以及几乎完美的自旋过滤效应。此外，当势垒层为h-BN或石墨烯时，均可观察到显著的负微分电阻现象。本研究独特的设计有望克服磁隧道结中漏电流瓶颈以及接触电阻，为探索更高性能的自旋电子学器件提供了有益的参考。

03 图文导读

图1. (a-c) 不同势垒层的器件模型图; (a) MBT|h-BN|MBT MTJ; (b) MBT|Graphene|MBT MTJ; (c) MBT|Vacuum|MBT MTJ; x和y方向是周期性方向，电流沿着z方向传输。(d)-(f) P 和 AP 态下MTJ中心散射区中三种异质结的能带结构。

图2. (a-f) MBT基磁隧道结器件的I-V曲线; (h) 体系的自旋极化率（SIE）随不同偏压的变化关系; (i) 体系的TMR随不同偏压的变化关系。

图3. 平衡态下，三种MTJ中心区的实空间投影态密度（PDOS），横坐标为输运方向z(Å)，白色虚线代表费米能级。(a) MBT|h-BN|MBT MTJ; (b) MBT|Graphene|MBT MTJ; (c) MBT|Vacuum|MBT MTJ。

图4. 非平衡态下，MTJ的电子透射谱；(a) MBT|h-BN|MBT MTJ; (b) MBT|Graphene|MBT MTJ。垂直的橘黄色虚线代表偏压窗口，透射系数的负值代表自旋向下。(-70 mV和-90 mV分别对应于最大TMR的偏压值)

图5. MBT基MTJs在不同偏压下的电子透射谱；(a) MBT|h-BN|MBT MTJ; (b) MBT|Graphene|MBT MTJ；橘黄色的垂直虚线代表了偏压窗口。

04 小结

总之，本文基于NEGF-DFT方法，采用Nanodcal软件计算研究了MBT基MTJs的自旋极化的电输运性质。结果表明该隧道结的高性能与势垒层的选取有关。MBT|h-BN|MBT隧道结在特定的小的偏压下观察到了接近4000%的大的TMR以及完美的自旋过滤效应，且在小的偏压范围内也观察到显著的负微分电阻效应。这些现象也证明了在本文提及的三种势垒层中，h-BN是MBT基磁隧道结最优的势垒层。我们的工作可能为探索基于二维 vdW 磁性材料的新型自旋电子器件提供有用的理论指导。

文献说明

1.文献信息：Barrier-dependent electronic transport properties in two-dimensional MnBi2Te4 based van der Waals magnetic tunnel junctions, Appl. Phys. Lett. 118, 223503 (2021), DOI: 10.1063/5.0052720

https://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/5.0052720

2. 文献作者：Zhi Yan, Xin Jia, Xiaowen Shi, Xinlong Dong and Xiaohong Xu*

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