衢州學院&中科院寧波材料所Matter：應用二維磁性半金屬設計出高開關比超薄自旋閥

【前言】

衢州學院楊建輝課題組與中國科學院寧波材料技術與工程研究所陳亮研究員、鐘志誠研究員合作在設計新型超薄自旋閥研究領域取得新進展。相關成果在《cell》旗下子刊《Matter》上發表。

【圖文導讀】

自動化與人工智能的發展需要以大數據儲存為基礎，降低數據讀取磁頭的尺寸可提高數據儲存密度，也是當前發展人工智能與自動化的關鍵步驟。當前普遍使用的一種數據讀取單元是由鐵磁層/絕緣層/鐵磁層組成的三明治結構，如圖一所示。當其中兩鐵磁層的磁矩方向相反時，該體系電阻較大；兩鐵磁層的磁矩方向相同時，該體系電阻較小。由此形成一個0、1兩種邏輯狀態，達到區分數據信號的效果。兩種狀態下的電阻差距(開關比)越大，數據讀取的效果越好。該類結構的厚度一般為7納米以上。

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圖一、自旋閥結構示意圖

降低該類結構的厚度可有效提高數據儲存密度。然而，厚度的減小也將導致該類結構兩種狀態下的開關比降低，不利于讀取信號。設計新型的超薄、開關比高的自旋閥使得降低的則是該領域的關鍵問題。

該團隊研究發現利用雙層二維磁性半金屬材料可設計超薄并具有極大開關比的自旋閥。他們將兩層厚度約為0.4納米的Cr₂NO₂結構堆積在一起，上下分別與金電極接觸，如圖二所示。當兩層Cr₂NO₂結構的磁矩方向相同時，在10 mV的偏壓下，該體系的電流密度可以達到1.69×10¹¹?A/m²；而當兩層Cr₂NO₂結構的磁矩方向相反時，電流密度只有1.8×10⁹?A/m²。兩者相差近百倍，數據儲存的效果非常明顯。

圖二、基于雙層Cr₂NO₂結構設計的自旋閥

該團隊利用密度泛函理論計算，對該現象做了理論解釋。Cr₂NO₂的半金屬特性導致自旋方向與該體系磁矩方向相同的電子容易穿過，而自旋方向不同的電子則需要越過極高的一個勢壘(約為2.4 eV)才能穿過。因此，后者通過的幾率極低。兩層Cr₂NO₂結構的磁矩方向相同時，自旋方向與該結構磁矩方向相同的電子則可順利通過，形成一股較大的電流。兩層Cr₂NO₂結構的磁矩方向相反時，自旋向上的電子與自旋向下的電子同時穿過結構的幾率極低，導致總電流較小。因此，形成一個極大的電流變化。

這樣一個現象就好比操場上有兩對人在跨欄跑步。藍色運動員只能在上面的跑到上前進，紅色運動員只能從下面的跑道上前進。當每個跑道上都有一個欄桿時，跑到終點的運動員總數(藍色加紅色)較小，如圖三所示。而把兩個欄桿調整到同一側時，如圖四所示。藍色運動員跑到終點的幾率就更低了，但是幾乎所有紅色運動員可順利跑到終點。最后，跑到終點的運動員總數目(藍色加紅色)就比前面的情況高很多。

圖三、藍色、紅色運動員跑道上均有一個欄桿，運動員通過的總幾率較小。

圖四、藍色運動員跑道上沒有欄桿，紅色運動員跑道上有兩個欄桿，運動員通過的總幾率較大。

由于這類結構超薄，兩層結構之前的磁相互作用極小，所以調整該類結構的能量消耗極低。同時，半金屬特性使得該器件在極低的電壓下就可以工作。因此，該類超薄的自旋閥能耗極低，在未來的數據儲存領域具有極高的應用價值。

當前，材料的制備與器件組裝是該納米器件得到應用的最大困難。這也需要我國科學們堅持不懈的努力！

相關論文信息：https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30126-2

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