基于WSe?結(jié)構(gòu)上存在的負(fù)磁阻現(xiàn)象

0 1引言

WSe?屬于TMD家族，具有層依賴性帶隙，從1.2 eV(塊體)到1.65 eV(單分子層)不等。單分子層WSe?作為一種極具發(fā)展前景的二維半導(dǎo)體，因其獨特的物理特性和在電子學(xué)、光電子學(xué)和自旋電子學(xué)等方面的潛在應(yīng)用而備受關(guān)注。目前，二維WSe?中的電子輸運研究主要集中在橫向結(jié)構(gòu)上，如場效應(yīng)晶體管、光電器件、自旋電子和谷電子器件。作為一種自旋閥結(jié)構(gòu)，在實驗中觀察到WSe?結(jié)構(gòu)上存在負(fù)磁阻現(xiàn)象。盡管對TMD磁阻器件特別是基于MoS?磁阻結(jié)的大量實驗研究，但對WSe?器件的實驗和理論研究都很缺乏。磁阻是如何隨WSe?厚度變化的還不清楚。

0 2成果簡介

哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）陳曉彬老師課題組（第一作者：嚴(yán)坤）基于鴻之微量子輸運計算軟件Nanodcal進(jìn)行模擬計算，研究了具有m層WSe?（m=1,2,...,6)的Ni/WSe?/Ni結(jié)的磁阻特性。對于m≤ 2，這些結(jié)是金屬的，盡管少層WSe?材料本身具有半導(dǎo)體特征。然而，當(dāng)m>3時，結(jié)存在出輸運帶隙。有趣的是，當(dāng)中心層有多個WSe?層時，結(jié)的磁阻保持在6%左右，這與界面性質(zhì)的穩(wěn)定空間變化密切相關(guān)，并可歸因于隧道區(qū)域沒有自旋翻轉(zhuǎn)。我們的結(jié)果表明，Ni/WSe?/Ni結(jié)具有穩(wěn)定的磁阻，對WSe?的厚度不敏感。

0 3圖文導(dǎo)讀

圖 1. (a)輸運結(jié)Ni/m-WSe2/Ni示意圖，上m=1,下m=2。 (b) 用矩形單元胞計算單層WSe2的能帶結(jié)構(gòu)，(藍(lán)線)和(灰虛線)表示與電極晶格匹配之前和之后的能帶。 (c) 塊體Ni和界面附近Ni原子的局域態(tài)密度[在(a)的紅色框內(nèi)]。

圖 2. Ni/m- WSe2 /Ni結(jié)在(a) m = 1，(b) m = 2，(c) m = 3，(d) m = 5下的零偏置自旋分辨透射，費米能量設(shè)為零，自旋分辨?zhèn)鬏敺謩e用黑色實線和紅色虛線表示。

圖 2. Ni/m- WSe2 /Ni結(jié)在(a) m = 1，(b) m = 2，(c) m = 3，(d) m = 5下的零偏置自旋分辨透射，費米能量設(shè)為零，自旋分辨?zhèn)鬏敺謩e用黑色實線和紅色虛線表示。

圖 4. (a) Ni/1- WSe2/Ni結(jié)，(b) Ni/3-WSe2/Ni結(jié)在費米能級下的自旋和k空間分辨?zhèn)鬏敗?/p>

圖 5. 自旋向下透射譜中峰值處的散射態(tài)分布，(a) Ni/1- WSe2/Ni，(b) Ni/3-WSe2/Ni

圖 6. (a) Ni/m-WSe2/Ni結(jié)的磁阻(MR)作為m的函數(shù)，即WSe2層數(shù)。(b-c) 1層和3層結(jié)的局部磁矩分布。(d) Ni/m- WSe2 /Ni (m=1,2,3,5)沿輸運方向Ni原子層平均磁矩值及其變化。

0 4小結(jié)

我們利用第一性原理方法結(jié)合非平衡格林函數(shù)，計算了Ni/m-WSe?/Ni結(jié)的量子輸運性質(zhì)。結(jié)果表明，當(dāng)m≤2時Ni/m- WSe?/Ni結(jié)為金屬自旋閥，當(dāng)m> 2時Ni/m- WSe?/Ni結(jié)為隧道結(jié)。金屬性可歸因于界面上Ni和Se原子之間的鍵合。當(dāng)m = 1時，Ni/m- WSe?/N結(jié)的磁阻為14.8%。對于m > 2，磁阻保持在6%左右。Ni/m- WSe?/Ni結(jié)磁阻的魯棒性與界面性質(zhì)隨層數(shù)m的變化一致。進(jìn)一步的分析表明，自旋只在最鄰近的WSe?層翻轉(zhuǎn)，由于Ni和WSe?之間的界面耦合，這是金屬層，導(dǎo)致當(dāng)m>2時，Ni/m-WSe?/Ni結(jié)具有穩(wěn)定的MR。對于中間有少量WSe?層的Ni/WSe?/Ni結(jié)，在低偏置電壓下，MR對層數(shù)(厚度)的魯棒性預(yù)期是有效的。