基于Cr2C的面内双势垒磁性隧道结中的巨遂穿磁阻
0 1 引言
近年来，许多二维（2d）磁性材料已经被报道。例如，几层或单层fe3gete2、cri3、mnbi2te4和crte2具有磁性。通过分子束外延（mbe）合成的1t-vse2在室温下显示出铁磁性。掺杂有fe的单层mos2在室温下也表现出铁磁性。在各种2d铁磁材料中，2d磁性mxene引起了广泛关注。例如，mn2c是一种反铁磁性金属。mn2ctx（t=f，cl，oh，o，h）、mn2ntx（t=o，oh，f）、ti2no2、cr2no2和cr2c都是具有高居里温度的半金属。由于2d材料的独特性质，如无悬挂键、高稳定性和易于通过范德华（vdw）力形成异质结，2d磁性材料为mtj带来了新的发展机遇，许多关于基于2d磁性材料的vdw mtj的研究工作也已经被报道。
然而，关于基于2d磁性材料的平面内mtj的报道很少。已报道的平面内mtj mn2cf2/ti2co2/mn2cf2，其tmr的峰值约为106。面内mtj mn2nf2/ti2co2/mn2nf2，tmr值可以达到1012。有趣的是，已经报道了基于vb-h-nb纳米带的面内双势垒mtj（idb-mtj）。由于其独特的结构特征，与传统的mtj或范德华mtj相比，这种idb-mtj具有特殊的优势。首先，与传统的mtj或范德华mtj相比，这种idb-mtj将具有更快的写入速度和更低的写入功耗。其次，idb-mtj的tmr可以通过ffml的长度来调节，并且tmr可以与传统的场效应晶体管（fet）进行比较。更重要的是，这种idb-mtj可以应用于传统mtj或范德华mtj无法使用的逻辑计算中。为了进一步了解idb-mtj的传输特性，本工作研究了基于mxene cr2c的idb-mtj。cr2c是具有大的半金属间隙（2.85ev）的半金属，并且在室温下呈现铁磁性。因此，它是idb-mtj的理想电极材料。此外，cr2c的电子性质可以通过f、oh、h或cl基团的表面官能化来调节。例如，cr2cf2是一种具有大带隙（3.49ev）的绝缘体，是idb-mtj的理想势垒材料。可以通过在cr2c纳米片上的表面功能化来制备idb-mtj cr2c/cr2cf2/cr2c/cr2cf2/cr2c。在本研究工作中，我们利用鸿之微nanodcal软件对idb-mtj cr2c/cr2cf2/cr2c/cr2cf2/cr2c的输运特性展开了研究。
0 2 成果简介
计算结果表明在低偏压范围内（0~0.12 v）该面内双势垒磁性隧道结的遂穿磁阻比(tmr)随传输通道长度的增加而增加。最大的tmr值达到了6.58×1010，最小的tmr值（3.86×106）也可以和传统的场效应晶体管相比较。我们的研究结果表明该面内双势垒磁性隧道结在自旋晶体管和磁性随机存储器方面有较大的应用前景。
0 3 图文导读
图1. (a,b) 结构优化后的cr2c 和cr2cf2的俯视图和侧视图。(c) 应变状态下cr2cf2一个的俯视图和侧视图。（d-f）cr2c、cr2cf2和应变状态下的cr2cf2的能带和态密度图。
图2. （a）双势垒磁性隧道结cr2c/cr2cf2/cr2c/cr2cf2/cr2c的结构示意图，半无限的cr2c作为左右电极，cr2cf2 作为势垒，中间的cr2c作为自由铁磁层（ffml）。（b）当ffml的长度为2.20 nm时，双势垒磁性隧道结cr2c/cr2cf2/cr2c/cr2cf2/cr2c的隧穿谱。（c）该双势垒磁性隧道结在费米面处自旋向上方向的局域态密度。该自旋向上方向的态密度通过沿x方向叠加得到。
图3. (a-c)当ffml长度为1.65 nm, 2.20 nm 和 2.75 nm时的电流ip和iap。（d）这些双势垒磁性隧道结在施加偏压时的tmr值。
0 4 小结
本工作通过密度泛函理论和非平衡格林函数方法研究了基于cr2c的idb-mtj，与先前报道的基于vb-h-nb纳米带的idb-mtj相比，基于cr2c的idb-mtj的性能显著提高。此处获得的最大tmr值达到6.58×1010，甚至这里获得的tmr的最小值（3.86×106）也能与传统fet相应值进行了比较，基于cr2c的idb-mtj具有良好的应用前景。
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然而，关于基于2d磁性材料的平面内mtj的报道很少。已报道的平面内mtj mn2cf2/ti2co2/mn2cf2，其tmr的峰值约为106。面内mtj mn2nf2/ti2co2/mn2nf2，tmr值可以达到1012。有趣的是，已经报道了基于vb-h-nb纳米带的面内双势垒mtj（idb-mtj）。由于其独特的结构特征，与传统的mtj或范德华mtj相比，这种idb-mtj具有特殊的优势。首先，与传统的mtj或范德华mtj相比，这种idb-mtj将具有更快的写入速度和更低的写入功耗。其次，idb-mtj的tmr可以通过ffml的长度来调节，并且tmr可以与传统的场效应晶体管（fet）进行比较。更重要的是，这种idb-mtj可以应用于传统mtj或范德华mtj无法使用的逻辑计算中。为了进一步了解idb-mtj的传输特性，本工作研究了基于mxene cr2c的idb-mtj。cr2c是具有大的半金属间隙（2.85ev）的半金属，并且在室温下呈现铁磁性。因此，它是idb-mtj的理想电极材料。此外，cr2c的电子性质可以通过f、oh、h或cl基团的表面官能化来调节。例如，cr2cf2是一种具有大带隙（3.49ev）的绝缘体，是idb-mtj的理想势垒材料。可以通过在cr2c纳米片上的表面功能化来制备idb-mtj cr2c/cr2cf2/cr2c/cr2cf2/cr2c。在本研究工作中，我们利用鸿之微nanodcal软件对idb-mtj cr2c/cr2cf2/cr2c/cr2cf2/cr2c的输运特性展开了研究。
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图2. （a）双势垒磁性隧道结cr2c/cr2cf2/cr2c/cr2cf2/cr2c的结构示意图，半无限的cr2c作为左右电极，cr2cf2 作为势垒，中间的cr2c作为自由铁磁层（ffml）。（b）当ffml的长度为2.20 nm时，双势垒磁性隧道结cr2c/cr2cf2/cr2c/cr2cf2/cr2c的隧穿谱。（c）该双势垒磁性隧道结在费米面处自旋向上方向的局域态密度。该自旋向上方向的态密度通过沿x方向叠加得到。
图3. (a-c)当ffml长度为1.65 nm, 2.20 nm 和 2.75 nm时的电流ip和iap。（d）这些双势垒磁性隧道结在施加偏压时的tmr值。
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