铁磁性、铁电性或多铁性与量子隧穿效应结合可以设计各种新型自旋电子器件，例如磁性、铁电性和多铁性隧道结（MFTJ）。这些器件在数据存储领域极具应用价值。尽管目前理论和实验上关于多铁隧道结的研究都取得了长足的进展，但是绝大多数都是采用三维钙钛矿氧化物材料作为铁电性势垒层。此类多铁隧道结的性能极易受到器件制备过程中块体材料天然的缺陷、界面接触电阻以及表面悬挂键的影响，且其电阻-面积乘积（RA）通常较大，范围从kΩ∙μm2到MΩ∙μm2，这无疑阻碍了它的器件应用。近年来，二维范德华铁磁、铁电和多铁材料的出现，为研究铁磁/铁电隧道结和多铁隧道结开辟了新的路径。其中，范德华多铁隧道结（vdw-MFTJ）因其兼具隧穿磁电阻（TMR）和隧穿电致电阻（TER）效应脱颖而出。目前，范德华多铁隧道结的研究还处于发展初期，仍然存在着许多问题和挑战需要解决和克服。迄今为止，所有报道的范德华多铁隧道结都是基于铁电材料和铁磁材料组成的多铁性，这种设计将会引入更多的材料界面，增加实验制备难度。因此，是否存在范德华本征多铁材料能够形成多铁隧道结？这值得理论和实验进一步探讨。双层VS₂将本征多铁性、层间反铁磁性和滑移铁电性集于一身，成为设计范德华本征多铁性隧道结的理想候选材料。

许小红教授课题组青年教师严志，理论上设计了基于双层VS₂的范德华本征多铁性隧道结，利用非平衡格林函数结合密度泛函理论研究了其自旋极化的电输运性质。如图1，选择了三种不同属性的电极对（包括非vdW纯金属Ag/Au、vdW金属性1T-MoS₂/2H-PtTe₂和vdW铁磁金属性Fe₃GaTe₂/Fe₃GeTe₂）系统地探究了电极效应。结果表明这些MFTJs的电子输运现象表现出显著的电极依赖效应。如表1，综合比较这些电极对，Fe₃GaTe₂/Fe₃GeTe₂电极组合表现出最佳的输运性能，最大TMR（TER）可达10949%（69%），最小的电阻-面积乘积（RA）为0.45 Ω∙µm²，以及完美的自旋过滤和负微分电阻效应。更有趣的是，通过施加偏压，TMR（TER）可以进一步增强至34000%（380%），而RA在双轴应力的影响下可以减小至0.16 Ω∙µm²。 此外，考虑到纯金属电极表面悬挂键对VS₂多铁性的影响，在电极和VS₂之间引入了石墨烯插层。该策略有效地保护了VS₂的固有特性，并将Ag/Au电极对组成的MFTJ的TMR（TER）提高了一个数量级。该工作提出的使用本征多铁性材料设计vdW-MFTJ的思路可能为实验研究提供新的设计理念。

相关成果以《Giant electrode effect on tunneling magnetoresistance and electroresistance in van der Waals intrinsic multiferroic tunnel junctions using VS₂》为题，于2024年5月6日发表在Phys. Rev. B 109, 205409 (2024)。

全文链接：https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.109.205409

图1：(a)和(b)1T-MoS₂/2H-PtTe₂、Fe₃GaTe₂/Fe3GeTe₂界面的总能量与各种堆叠顺序的关系；(c) 四种堆叠顺序的 Ag/Au-VS2 异质结构的总能量与不同层间距离的关系。 插图表示最佳堆叠方式；[(d)-(f)]由三种类型的不对称电极组成的具有相反铁电极化方向的本征MFTJs器件的结构示意图；(d)非vdW纯金属Ag/Au、Ag-VS₂-Au MFTJ；(e) vdW金属 1T-MoS₂/2H-PtTe₂，1T-MoS₂-VS₂-2H-PtTe₂ MFTJ和(f) vdW铁磁金属 Fe₃GaTe₂/Fe₃GeTe₂，Fe₃GaTe₂-VS₂-Fe₃GeTe₂ MFTJ。左右电极延伸至∓∞。这些MFTJs在xy平面上呈周期性，电流沿z方向流动。

表1：平衡态下，计算得到的这些多铁隧道结的自旋极化的电子透射系数T_↑和T_↓、TMR、TER、RA和自旋注入效率SIE