基于Cr2C的面內(nèi)雙勢(shì)壘磁性隧道結(jié)中的巨遂穿磁阻

0 1引言

近年來(lái)，許多二維（2D）磁性材料已經(jīng)被報(bào)道。例如，幾層或單層Fe3GeTe2、CrI3、MnBi2Te4和CrTe2具有磁性。通過(guò)分子束外延（MBE）合成的1T-VSe2在室溫下顯示出鐵磁性。摻雜有Fe的單層MoS2在室溫下也表現(xiàn)出鐵磁性。在各種2D鐵磁材料中，2D磁性MXene引起了廣泛關(guān)注。例如，Mn2C是一種反鐵磁性金屬。Mn2CTx（T=F，Cl，OH，O，H）、Mn2NTx（T=O，OH，F(xiàn)）、Ti2NO2、Cr2NO2和Cr2C都是具有高居里溫度的半金屬。由于2D材料的獨(dú)特性質(zhì)，如無(wú)懸掛鍵、高穩(wěn)定性和易于通過(guò)范德華（vdW）力形成異質(zhì)結(jié)，2D磁性材料為MTJ帶來(lái)了新的發(fā)展機(jī)遇，許多關(guān)于基于2D磁性材料的vdW MTJ的研究工作也已經(jīng)被報(bào)道。

然而，關(guān)于基于2D磁性材料的平面內(nèi)MTJ的報(bào)道很少。已報(bào)道的平面內(nèi)MTJ Mn2CF2/Ti2CO2/Mn2CF2，其TMR的峰值約為106。面內(nèi)MTJ Mn2NF2/Ti2CO2/Mn2NF2，TMR值可以達(dá)到1012。有趣的是，已經(jīng)報(bào)道了基于VB-h-NB納米帶的面內(nèi)雙勢(shì)壘MTJ（IDB-MTJ）。由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征，與傳統(tǒng)的MTJ或范德華MTJ相比，這種IDB-MTJ具有特殊的優(yōu)勢(shì)。首先，與傳統(tǒng)的MTJ或范德華MTJ相比，這種IDB-MTJ將具有更快的寫入速度和更低的寫入功耗。其次，IDB-MTJ的TMR可以通過(guò)FFML的長(zhǎng)度來(lái)調(diào)節(jié)，并且TMR可以與傳統(tǒng)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）進(jìn)行比較。更重要的是，這種IDB-MTJ可以應(yīng)用于傳統(tǒng)MTJ或范德華MTJ無(wú)法使用的邏輯計(jì)算中。為了進(jìn)一步了解IDB-MTJ的傳輸特性，本工作研究了基于MXene Cr2C的IDB-MTJ。Cr2C是具有大的半金屬間隙（2.85eV）的半金屬，并且在室溫下呈現(xiàn)鐵磁性。因此，它是IDB-MTJ的理想電極材料。此外，Cr2C的電子性質(zhì)可以通過(guò)F、OH、H或Cl基團(tuán)的表面官能化來(lái)調(diào)節(jié)。例如，Cr2CF2是一種具有大帶隙（3.49eV）的絕緣體，是IDB-MTJ的理想勢(shì)壘材料?？梢酝ㄟ^(guò)在Cr2C納米片上的表面功能化來(lái)制備IDB-MTJ Cr2C/Cr2CF2/Cr2C/Cr2CF2/Cr2C。在本研究工作中，我們利用鴻之微Nanodcal軟件對(duì)IDB-MTJ Cr2C/Cr2CF2/Cr2C/Cr2CF2/Cr2C的輸運(yùn)特性展開了研究。

0 2成果簡(jiǎn)介

計(jì)算結(jié)果表明在低偏壓范圍內(nèi)（0~0.12 V）該面內(nèi)雙勢(shì)壘磁性隧道結(jié)的遂穿磁阻比(TMR)隨傳輸通道長(zhǎng)度的增加而增加。最大的TMR值達(dá)到了6.58×1010，最小的TMR值（3.86×106）也可以和傳統(tǒng)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管相比較。我們的研究結(jié)果表明該面內(nèi)雙勢(shì)壘磁性隧道結(jié)在自旋晶體管和磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器方面有較大的應(yīng)用前景。

0 3圖文導(dǎo)讀

圖1. (a,b) 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的Cr2C 和Cr2CF2的俯視圖和側(cè)視圖。(c) 應(yīng)變狀態(tài)下Cr2CF2一個(gè)的俯視圖和側(cè)視圖。（d-f）Cr2C、Cr2CF2和應(yīng)變狀態(tài)下的Cr2CF2的能帶和態(tài)密度圖。

圖2. （a）雙勢(shì)壘磁性隧道結(jié)Cr2C/Cr2CF2/Cr2C/Cr2CF2/Cr2C的結(jié)構(gòu)示意圖，半無(wú)限的Cr2C作為左右電極，Cr2CF2作為勢(shì)壘，中間的Cr2C作為自由鐵磁層（FFML）。（b）當(dāng)FFML的長(zhǎng)度為2.20 nm時(shí)，雙勢(shì)壘磁性隧道結(jié)Cr2C/Cr2CF2/Cr2C/Cr2CF2/Cr2C的隧穿譜。（c）該雙勢(shì)壘磁性隧道結(jié)在費(fèi)米面處自旋向上方向的局域態(tài)密度。該自旋向上方向的態(tài)密度通過(guò)沿x方向疊加得到。

圖3. (a-c)當(dāng)FFML長(zhǎng)度為1.65 nm, 2.20 nm 和 2.75 nm時(shí)的電流Ip和IAP。（d）這些雙勢(shì)壘磁性隧道結(jié)在施加偏壓時(shí)的TMR值。

0 4小結(jié)

本工作通過(guò)密度泛函理論和非平衡格林函數(shù)方法研究了基于Cr2C的IDB-MTJ，與先前報(bào)道的基于VB-h-NB納米帶的IDB-MTJ相比，基于Cr2C的IDB-MTJ的性能顯著提高。此處獲得的最大TMR值達(dá)到6.58×1010，甚至這里獲得的TMR的最小值（3.86×106）也能與傳統(tǒng)FET相應(yīng)值進(jìn)行了比較，基于Cr2C的IDB-MTJ具有良好的應(yīng)用前景。

審核編輯 ：李倩