衢州学院&中科院宁波材料所Matter：应用二维磁性半金属设计出高开关比超薄自旋阀

【前言】

衢州学院杨建辉课题组与中国科学院宁波材料技术与工程研究所陈亮研究员、钟志诚研究员合作在设计新型超薄自旋阀研究领域取得新进展。相关成果在《cell》旗下子刊《Matter》上发表。

【图文导读】

自动化与人工智能的发展需要以大数据储存为基础，降低数据读取磁头的尺寸可提高数据储存密度，也是当前发展人工智能与自动化的关键步骤。当前普遍使用的一种数据读取单元是由铁磁层/绝缘层/铁磁层组成的三明治结构，如图一所示。当其中两铁磁层的磁矩方向相反时，该体系电阻较大；两铁磁层的磁矩方向相同时，该体系电阻较小。由此形成一个0、1两种逻辑状态，达到区分数据信号的效果。两种状态下的电阻差距(开关比)越大，数据读取的效果越好。该类结构的厚度一般为7纳米以上。

图一、自旋阀结构示意图

降低该类结构的厚度可有效提高数据储存密度。然而，厚度的减小也将导致该类结构两种状态下的开关比降低，不利于读取信号。设计新型的超薄、开关比高的自旋阀使得降低的则是该领域的关键问题。

该团队研究发现利用双层二维磁性半金属材料可设计超薄并具有极大开关比的自旋阀。他们将两层厚度约为0.4纳米的Cr₂NO₂结构堆积在一起，上下分别与金电极接触，如图二所示。当两层Cr₂NO₂结构的磁矩方向相同时，在10 mV的偏压下，该体系的电流密度可以达到1.69×10¹¹A/m²；而当两层Cr₂NO₂结构的磁矩方向相反时，电流密度只有1.8×10⁹A/m²。两者相差近百倍，数据储存的效果非常明显。

图二、基于双层Cr₂NO₂结构设计的自旋阀

该团队利用密度泛函理论计算，对该现象做了理论解释。Cr₂NO₂的半金属特性导致自旋方向与该体系磁矩方向相同的电子容易穿过，而自旋方向不同的电子则需要越过极高的一个势垒(约为2.4 eV)才能穿过。因此，后者通过的几率极低。两层Cr₂NO₂结构的磁矩方向相同时，自旋方向与该结构磁矩方向相同的电子则可顺利通过，形成一股较大的电流。两层Cr₂NO₂结构的磁矩方向相反时，自旋向上的电子与自旋向下的电子同时穿过结构的几率极低，导致总电流较小。因此，形成一个极大的电流变化。

这样一个现象就好比操场上有两对人在跨栏跑步。蓝色运动员只能在上面的跑到上前进，红色运动员只能从下面的跑道上前进。当每个跑道上都有一个栏杆时，跑到终点的运动员总数(蓝色加红色)较小，如图三所示。而把两个栏杆调整到同一侧时，如图四所示。蓝色运动员跑到终点的几率就更低了，但是几乎所有红色运动员可顺利跑到终点。最后，跑到终点的运动员总数目(蓝色加红色)就比前面的情况高很多。

图三、蓝色、红色运动员跑道上均有一个栏杆，运动员通过的总几率较小。

图四、蓝色运动员跑道上没有栏杆，红色运动员跑道上有两个栏杆，运动员通过的总几率较大。

由于这类结构超薄，两层结构之前的磁相互作用极小，所以调整该类结构的能量消耗极低。同时，半金属特性使得该器件在极低的电压下就可以工作。因此，该类超薄的自旋阀能耗极低，在未来的数据储存领域具有极高的应用价值。

当前，材料的制备与器件组装是该纳米器件得到应用的最大困难。这也需要我国科学们坚持不懈的努力！

相关论文信息：https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30126-2

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