近日，我院计算物理与量子能源材料设计团队在二维自旋电子器件研究中取得重要理论预测进展，相关成果以“Multistate magnetic tunnel junction based on a single two-dimensional van der Waals antiferromagnet”为题目发表在国际著名物理期刊《Physical Review Applied》上。物理学院青年教师杨洁博士为第一作者，郑州大学物理学院为第一单位。

反铁磁体具有零杂散场、抗干扰性，展现出超快的自旋动力学，因此有望作为高度可靠、快速响应和多态的信息载体。随着二维技术的迅猛发展，许多由二维范德华反铁磁体构成的自旋电子器件均表现出具有巨大的隧道磁电阻（TMR），为追求基于二维范德华反铁磁体的非易失性存储提供了充足的信心。但是，先前的研究主要集中在层间反铁磁半导体的两种磁有序（反铁磁和铁磁态）切换引起的TMR，忽略了二维反铁磁体内部的多重变磁相变引起的电阻差异。

该项研究工作将反铁磁中丰富的磁有序与自旋依赖的隧穿通道结合在一起，以单层（ML）和双层（BL）范德华反铁磁体CrOCl构成的磁隧道结（Ag/CrOCl/Ag MTJ）为核心，利用第一性原理计算方法，在CrOCl从反铁磁基态逐级演化到Flop态、亚铁磁态、和铁磁态的过程中，产生四种不同的电阻状态。单层器件的面电阻（RA）仅为0.02~0.2 Ω•μm²，双层器件由于厚度增加，其不同磁有序对应的RA均高于单层，范围在0.84~399 Ω•μm²。优越的RA源自于Ag/CrOCl界面仅0.28 eV的肖特基势垒。单层和双层CrOCl MTJ中零偏压的隧道磁电阻（TMR）分别达到110% ~900%和 410%~48,000%，其中依靠Flop态和亚铁磁态的翻转即可超过包括CrI₃等在内的其他范德华反铁磁器件。二维CrOCl基磁隧道结的低RA和显著的电阻差异揭示了二维反铁磁性CrOCl及其同构化合物在未来高效能多态存储器应用中的潜力，为未来非易失性和高能效的多态存储器件开辟了新的理论道路。

图1 单/双层CrOCl磁隧道结的面电阻演化

图2 不同范德华反铁磁隧穿结中层数依赖的TMR

该工作得到了国家自然科学基金和河南省自然科学基金的支持。

论文链接：

https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.22.014017