铁磁材料是自旋电子器件的基础，如磁性隧道结（MTJ）和自旋转移矩（STT）存储器。然而，由于其对外部磁场的高度敏感性，铁磁材料在高密度阵列器件中可能面临干扰和不稳定性问题。相比之下，反铁磁材料没有净磁矩及杂散磁场，且具有超快的磁动力学响应，能够满足后摩尔时代电子器件在小型化、低能耗、高稳定性和高速读写方面的需求。近年来，反铁磁自旋阀、反铁磁STT存储器、反铁磁自旋轨道矩（SOT）器件及反铁磁隧道结的应用潜力已经得到验证。结合反铁磁层和铁电层的反铁磁-多铁隧道结（AMFTJ），有望成为下一代自旋电子学器件的理想材料。目前将二维范德华（vdW）反铁磁和铁电材料集成到隧道结中仍是未知领域，值得进一步理论和实验探索。

许小红教授课题组严志副教授及其合作者，理论上以双层MnBi₂Te₄/In₂Se₃/双层MnBi₂Te₄ (MBT-2L/IS/MBT-2L)为原型，设计了一种反铁磁体/铁电势垒/反铁磁体范德华隧道结。基于非平衡格林函数结合密度泛函理论的第一性原理计算，理论上研究了该AMFTJ的自旋极化的电输运性质。研究表明，可以通过控制多层反铁磁MnBi₂Te₄的各种可能磁化方向和隧道结内In₂Se₃的铁电极化方向，获得16种非易失阻态且施加双轴应力和偏压可以调控这些阻态。在平衡态下获得的最大隧穿磁阻（电阻）为3.79×10⁴% (2.41×10⁵%)，在偏压下可以增加到5.01×10⁵% (4.97×10⁵%)。此外，该AMFTJ在特定磁态下还具有完美的自旋滤波效应。研究结果突出了MBT-2L/IS/MBT-2L vdW AMFTJ在非易失性存储器中的巨大潜力，扩展了反铁磁自旋电子器件的应用途径。

相关成果以《Magnetic order dependent giant tunneling magnetoresistance and electroresistance in van der Waals antiferromagnetic-multiferroic tunnel junctions》为题，于2025年1月6日发表在Phys. Rev. B 111, 045404 (2025)。

全文链接：https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.111.045404

图1：(a) MBT-2L/IS/MBT-2L AMFTJ器件结构示意图。(b) P→和(c) P←的AMFTJ在平衡态下自旋相关的电子透射系数与能量的函数。(d) P→和(e) P←的AMFTJ在平衡态下的二维布里渊区k分辨电子透射谱。

表1：平衡态下，计算得到的MBT-2L/IS/MBT-2L vdW AMFTJ的自旋极化的电子透射系数T_↑和T_↓、TMR、TER和自旋极化率 (η)。