单晶二维材料势垒层磁性隧道结的偏压效应

吕涛涛,方贺男,吕 杰,孙星宇

(南京邮电大学 电子与光学工程学院,江苏 南京 210023)

磁性隧道结(Magnetic Tunneling Junctions,MTJ)是一类重要的自旋电子器件[1-2]。它的物理结构一般由垂直的铁磁电极/绝缘(半导体)势垒层/铁磁电极三层构成。1975 年,Julliere[3]在Co/Ge/Fe 磁性隧道结中发现了隧穿磁电阻(Tunneling Magnetoresistance,TMR)效应,即磁性隧道结的隧穿电阻明显依赖于两铁磁层的相对磁化方向。具体来说,当两铁磁层的相对磁化方向平行时,隧穿电阻小;当两铁磁层的相对磁化方向反平行时,隧穿电阻较大。20 世纪90 年代,磁性隧道结多以非晶氧化铝(Al-O)作为势垒层,但由于无序散射的原因,在室温下只能达到81% 的TMR[4]。基于单晶势垒层的磁性隧道结可以在很大程度上减弱势垒层中的无序散射,进而提高TMR 的大小。因此,21 世纪以来,基于单晶MgO[5-7]势垒层的磁性隧道结得到了广泛研究,并被成功应用于高密度硬盘读头和MRAM 存储单元器件中。然而,在制备MgO 基磁性隧道结时,铁磁电极和MgO 势垒层的界面处会产生晶格畸变等缺陷[8],这不利于实验上制备具有高结晶度和光滑界面的磁性隧道结,进而限制磁性隧道结的应用。

近年来,以石墨烯为代表的二维材料受到人们的密切关注。二维晶体呈层状结构且没有悬键[9],于是可以与外延的铁磁电极形成高质量的界面[8]。因此,它可以解决上述MgO 基磁性隧道结存在的问题。在实验上,六方氮化硼(h-BN)[10]、MoS2[11-12]、WS2[13]和WSe2[14]等二维材料被用作磁性隧道结的势垒层得到深入研究。2019 年,Li 等[15]采用第一性原理计算得到Fe3GeTe2/h-BN/Fe3GeTe2磁性隧道结和Fe3GeTe2/Gr/Fe3GeTe2磁性隧道结的TMR 值分别为6256%和3621%。……