近日，理学院量子与分子结构国际中心（ICQMS）“Materials Catalysis Energy”课题组（课题组网址为：https://matcaten.com/）在国际知名期刊《Journal of Materials Chemistry C》（IF = 7.393）上在线发表了题为“Realization of the electric-field driven “one-material”-based magnetic tunnel junction using van der Waals antiferromagnetic MnPX3 (X: S, Se)”的论文。上海大学为文章的第一作者单位和第一通讯作者单位，物理系 2019 级硕士生金一辰为论文的第一作者，通讯作者为量子与分子结构国际中心的优瑞教授和 艾琳娜教授。
自旋电子学利用电子的自旋自由度作为信息载体来实现数据存储和逻辑操作。与传统的基于电荷的微电子器件相比，基于自旋的微电子器件用于切换自旋状态所消耗的能量更少。这可以带来更快的运行速度和更低的能耗。自石墨烯被发现以来，范德瓦尔斯材料一直是自旋电子学研究领域的前沿热点。范德瓦尔斯家族的不断发现，使得如石墨烯受限于零能隙无法实现“开”和“关”性能等难题得以克服。但范德瓦尔斯应用于自旋电子学器件也面临着诸多问题：例如，金属和范德瓦尔斯材料的导电性不匹配，导致电子自旋极化率低等问题，阻碍了其进一步应用。然而，如果使用单层或多层范德瓦尔斯材料则有望解决这一问题。使用“同一材料”的最大优势是其固有的纯度，构建层与层之间的理想界面，有助于减少界面处不必要的电子散射。
图1：电场驱动的“单一材料”隧道结的示意图。（a）多层 MnPX3 放置于场效应结构中。在MnPX3的最外层，通过施加偏置电压诱导电子/空穴掺杂。（b）在块体MnPX3中，两个最外层的MnPX3层模拟了外部电场被Li和F覆盖，表明二维MPX3中HMF状态的诱导机制，（c）MnPX3层的自旋极化符号取决于吸附物的种类。
在本项研究中，该研究团队模拟了目前在二维材料的基础上实现自旋滤波器和磁隧道结，可以通过使用MnPX3克服以上缺点。在这样一个基于“同一材料”的隧道结中，几层块状的MnPX3被夹在场效应晶体管结构中，在金属电极上施加相同（或不同）极性的偏置电压，与最外层的MnPX3层用薄绝缘层分隔（图1）。表面单层二维MnPX3可以通过电场从AFM状态转换到半金属铁磁（HMF）状态，并与MnPX3的中心层通过欧姆接触连接到零电位。在模拟的结构中，选用了材料具有较大的范德瓦尔斯带隙（约3.3 Å），并且每层MnPX3之间的电子相互作用非常弱。在这种情况下，左/右最外层的MnPX3层可以使用外部电场或吸附转换为HMF状态，同时不改变内层的磁性（AFM）和绝缘状态，隧道磁电阻（TMR）为100%。并且左/右最外层MnPX3的不同诱导电子/空穴掺杂水平可导致这些层的居里温度（TC）变化，结合内部AFM层的奈尔温度（TN）。提供了在基于 "同一材料 "的隧道结中实现不同磁性组合的可能性。使用不同偏置电压的组合，以及外层的自旋极化，为模拟的“同一材料”的磁隧道结提供了丰富的状态图（图2），允许精确控制系统的状态，拥有天然理想的HMF/i-AFM和HMF/i-PM界面。这种理想的界面在可能的电子应用中，减少了不必要的传导电子的散射，表现出了显著的应用潜力。
图2：双面偏置电压的MnPX3的状态图，其中用i/I表示绝缘，AFM表示反铁磁态，HMF表示半金属铁磁态，PM表示顺磁态。(a) 载流子浓度与偏置电压的关系示意图。(I) 低偏压使整个MnPX3处于i-AFM状态，(II) HMF最外层MnPX3层在i-AFM MnPX3上，(III) HMF最外层MnPX3层在PM或i-AFM MnPX3上。(b) 根据施加到左/右最外层MnPX3层的掺杂符号（偏置电压的符号），可以在最外层诱发不同符号的自旋极化。箭头的方向（向上/向下）和长度表示自旋极化的符号和载流子掺杂的浓度。
本文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/TC/D1TC05922J
该研究工作得到了国家自然科学基金委（21973059），波兰科学基金会（MAB/2020/14）和欧盟委员会（857543）的支持。