随着电子器件的小型化，各种量子效应愈发显著，致使摩尔定律不再适用。因此迫切需要发展后硅基时代的先进材料用于开发下一代高性能、低功耗的电子器件。隧穿磁电阻技术在磁隧道结中的成功应用，推动了信息技术的快速发展，例如磁性随机存储器(MRAM)、高密度硬盘读头、磁性传感器等一系列重要自旋电子学器件。虽然磁隧道结已经得到了广泛的应用，但在提高其性能和稳定性方面仍然面临着许多重要的问题和挑战。其中，一个棘手的问题是如何消除铁磁层和势垒层界面处的接触电阻。层状范德华二维材料的出现为解决这一问题提供了可行性。特别是2017年以来，诸如CrI₃等二维铁磁材料的成功制备，为下一代二维磁隧道结的发展带来了希望。

博士生严志（导师：许小红教授）及其合作者，设计了如下图1所示的三种由不同势垒层组成的MnBi₂Te₄基范德华磁隧道结，利用非平衡格林函数结合密度泛函理论研究了其电输运特性。如下图2所示，计算结果表明MnBi₂Te₄基范德华磁隧道结的高性能与势垒层的选取有关。当以h-BN作为势垒层时，在小的偏压下，可得到高达4000%的隧穿磁电阻以及几乎完美的自旋过滤效应。此外，当势垒层为h-BN或石墨烯时，均可观察到显著的负微分电阻现象。本研究独特的设计有望克服磁隧道结中漏电流瓶颈以及接触电阻，为探索更高性能的自旋电子学器件提供了有益的参考。

相关成果以《Barrier-dependent electronic transport properties in two-dimensional MnBi₂Te₄-based van der Waals magnetic tunnel junctions》为题，于2021年6月3日发表在Appl. Phys. Lett. 118, 223503 (2021)。

全文链接：https://doi.org/10.1063/5.0052720

图1：三种不同势垒层的双电极（石墨电极）磁隧道结器件结构图.

图2：三种不同磁隧道结的电输运特性随偏压演化关系曲线.(a-f) I-V曲线；(g), (h) 自旋极化率；(i) 隧穿磁电阻.