多铁隧道结（MFTJ）因同时具备铁电性与铁磁性，可通过电极化与磁化状态的协同调控实现非易失性的多阻态存储，被视为新一代高密度、低功耗存储器及可重构逻辑器件的核心结构之一。然而，传统MFTJ通常依赖电场与磁场的联合操作，不仅增加电路设计的复杂性，也因频繁的电场施加引发较高的能耗。更为关键的是，电控铁电极化反转过程中所伴随的原子迁移和晶格畸变，易导致器件疲劳和性能退化，严重制约其可靠性与使用寿命。最近，研究者提出基于多铁材料中磁电耦合效应的全磁控策略，即通过施加磁场实现铁电极化的非易失性反转，从而避免电场驱动下的离子迁移与结构损伤问题，显著提升器件的稳定性与能效比。这一突破为构建高性能、高可靠性的非易失性存储及自旋电子器件提供了全新思路。
在此背景下，许小红教授团队提出了一种基于CrBr3/MnPSe3/CrBr3垂直异质结构的全磁控范德华多铁隧道结（vdW-MFTJ），通过第一性原理计算和电子输运分析，揭示了其在非易失性多态电阻、隧穿磁电阻（TMR）和隧穿电电阻（TER）等方面的卓越性能。研究表明，该器件无需电场，仅通过磁控即可实现铁电极化反转，且翻转磁场小于1 T，有效规避了传统电控方式引发的结构劣化问题，显著提升了器件的能效与稳定性。在平衡态下，TMR高达8.1×105%，TER达到2499%；在施加外部偏置电压后，TMR提升至3.6×107%，TER增至9990%。此外，该器件展现出显著的负微分电阻（NDR）效应，其峰谷比（PVR）高达创纪录的9.55×109%。自旋过滤通道可通过磁自由层的磁化方向实现精确调控，在宽偏压范围内实现高效自旋选择性。该工作为发展新型自旋电子器件提供了重要理论支撑，并为完全磁控的vdW-MFTJs器件的实验实现奠定了坚实基础。
相关成果以《Giant Nonvolatile Multistate Resistance with Fully Magnetically Controlled van der Waals Multiferroic Tunnel Junctions》为题，于2025年5月15日发表在Nano Lett. 25, 21, 8473–8479。我院严志副教授为论文的第一作者，许小红教授为通讯作者，山西师范大学为论文的唯一完成单位。
全文链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c00440
全磁控铁电极化翻转物理机制以及PtTe2/CrBr3/MnPSe3/CrBr3/CrBr3（Li/Na/K）vdW-MFTJ器件模型示意图