0 1引言

高磁阻器件在數(shù)據(jù)存儲和磁感應電子設備中起著關鍵作用。在這種器件中，阻變隨機存取存儲器以磁隧道結(MTJ)為代表，其中相對平行和反平行的自旋結構可以產生兩種不同的阻態(tài)來攜帶信息，更大的MR可以為實際應用提供更高的靈敏度。關于高自旋極化材料，半金屬是最有前景的候選材料，因為它們的能帶結構在一個自旋通道中是金屬的，而在另一個自旋通道中是半導體或絕緣的?；诎虢饘倌軒ЫY構的特點，在半金屬構建的器件中，半金屬的磁化方向相同的情況下，左電極中的多數(shù)自旋子帶中的電子將進入另一磁性層中的多數(shù)自旋子帶的空狀態(tài)。因此，總隧道電流將特別大。如果兩個半金屬磁性層的磁化方向相反，則觀察到另一種行為。一個磁性層的自旋帶中的大多數(shù)電子和自旋帶中的少數(shù)電子都不會進入另一個磁性層中的空位狀態(tài)，這種狀態(tài)下的隧道電流將非常小。半金屬材料會導致兩種不同磁化狀態(tài)的電流有很大差異。為了評估新型氮化MXene材料Mn?NO?的電子性質和材料的熱電性質，研究了Mn?NO?的電導率、塞貝克系數(shù)、聲子熱導率和ZT值。

0 2成果簡介

該工作設計基于半金屬Mn?NO?的優(yōu)秀巨磁阻器件，通過研究半金屬堆疊單層、雙層和三層器件的結構的自旋電輸運性質，進而得到巨磁阻效應隨層數(shù)變化的規(guī)律。該項目研究了器件的電子性質、自旋電輸運性質、自旋相關投影系數(shù)。對電子結構的分析表明，鐵磁態(tài)的電子表現(xiàn)出高的電子透射率，而反鐵磁態(tài)的電子表現(xiàn)出低的透射率。Mn?NO?表面與Au (111)的附著可以改變費米能級的電子結構，然而，它保留了Mn?NO?的半金屬性質。器件的FM態(tài)和AFM態(tài)之間的超高巨磁阻值達到1.15×1031%，并且在增加層數(shù)時器件在小偏置電壓下達到最大值，這在實際應用中賦予器件靈敏度和節(jié)能特性。此外，在三種器件的六種配置中，觀察到了明顯的負微分電阻效應?？偟膩碚f，Mn?NO?是巨磁阻應用的理想材料，并且該項目所設計的器件是迄今為止理論上報道的具有最高磁阻比的自旋電子器件。在對材料的熱電性質計算方面，使用基于非平衡態(tài)格林函數(shù)-密度泛函理論的第一性原理方法，本項目通過鴻之微的Nanodcal軟件分別計算了50–600K溫度范圍內新型氮化MXene材料(Mn?NO?)的電導率、塞貝克系數(shù)、聲子熱導率和ZT值。較大的塞貝克系數(shù)和電導率以及較小的熱導率有利于高性能熱電材料。

0 3圖文導讀

該項工作設計了Au/nMn?NO?(n = 1，2，3)/Au的三種構型，已經(jīng)經(jīng)歷了充分的弛豫，并且已經(jīng)達到了收斂標準。散射區(qū)域由1、2和3層Mn?NO?組成，緩沖區(qū)域由重復3層的Au (111)組成。該器件的兩個電極為相同的一層Au (111)，左右電極分別沿輸運方向無限延伸。另外該項工作計算了Mn?NO?在不同溫度下的熱導率、電導率、熱電優(yōu)值和塞貝克系數(shù)，溫度為300K時，Mn?NO?的熱電優(yōu)值為0.24。

圖1 (a)Mn?NO?的俯視圖和(b)側視圖，(c)Mn?NO?的能帶結構和(d)態(tài)密度。

圖2 Mn?NO?材料的(a)聲子熱導率，(b)電子熱導率，(c)電導，(d)熱電優(yōu)值(ZT)和(e)塞貝克系數(shù)。

圖3 (a)器件半金屬層分別為一層、二層和三層的結構示意圖。(b)不同偏置電壓下巨磁阻隨層數(shù)的變化趨勢。

圖4 單層器件的自旋分辨投影態(tài)密度（PLDOS）。鐵磁狀態(tài)(a)多數(shù)自旋和(b)少數(shù)自旋PLDOS，以及反鐵磁狀態(tài)(c)多數(shù)自旋和(d)少數(shù)自旋PLDOS。

0 4小結

該項工作基于半金屬Mn?NO?設計出了的優(yōu)秀巨磁阻器件，并且可以通過半金屬層的層數(shù)調節(jié)，在更低的偏壓獲得高的巨磁阻效應，同時強調了材料的熱電性質在設計磁阻器件時的重要性，并且應該將熱電性質作為一項衡量構建器件材料的指標。Mn?NO?是巨磁阻效應應用的理想材料，并且所開發(fā)的器件是迄今為止理論上報道的具有最高磁阻比的自旋電子器件，為巨磁阻器件的構建提供了重要的啟示。