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低维量子体系输运与统计团队在范德瓦尔斯型磁性隧道结等研究领域取得进展
发布时间:2019-08-16

2019年8月,华中科技大学物理学院低维量子体系输运与统计团队在Nano Letters上发表了题为《Spin-dependent transport in van der Waals magnetic tunnel junctions with Fe3GeTe2electrodes》的理论研究论文。团队成员张佳副教授为该论文的通讯作者,我院17级硕士研究生李新录为论文第一作者,团队负责人吕京涛教授、光电学院游龙教授,以及美国内布拉斯加林肯大学的E.Y.Tsymbal教授参与了这项工作。

近年来,一系列范德瓦尔斯磁材料如Fe3GeTe2、Cr2Ge2Te6、VSe2和CrI3等相继被发现。利用磁性范德瓦尔斯材料的新颖物理性质,可制备不同的异质结结构,并应用于磁性隧道结等自旋电子学核心结构中。典型的磁性隧道结为铁磁金属/绝缘体/铁磁金属的三明治结构,当两铁磁性金属的磁矩互为平行或反平行排列时,隧道结隧穿电阻表现为高、低阻态。电阻态的相对变化比值定义为磁电阻效应。具有高隧穿磁电阻效应的磁性隧道结可应用于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中。最近一系列实验研究发现,范德瓦尔斯型磁性隧道结具有较高的隧穿磁电阻效应,但其中的自旋相关输运机理尚不清楚。

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图1:(左)范德瓦尔斯磁性隧道结的结构和磁电阻效应示意图;(右)隧道结中的电子隧穿几率在二维布里渊区的分布。

该研究团队首先利用第一性原理计算研究了Fe3GeTe2/石墨烯/Fe3GeTe2和Fe3GeTe2/六角氮化硼/Fe3GeTe2两种磁性隧道结的自旋相关输运性质,发现这两类范德瓦尔斯磁性隧道结均具有较高的隧穿磁电阻效应,其磁电阻大小主要取决于电极的自旋极化,与中间势垒层以及界面态无显著依赖关系。此外,他们还利用理论模型分析了原子层间的相对滑移、Fe3GeTe2电极的相对旋转等范德瓦尔斯异质结的结构缺陷对该类磁性隧道结自旋相关输运性质的影响。该项研究成果,对深入理解范德瓦尔斯磁性材料的自旋相关输运性质具有一定的理论参考价值和指导意义。论文链接:DOI:10.1021/acs.nanolett.9b01506

除开展范德瓦尔斯型磁性材料的研究外,近两年来,张佳副教授还在反铁磁自旋电子学研究领域与清华大学材料学院宋成教授课题组开展密切合作,参与了一系列重要的实验研究工作,在Nature Materials, Phys. Rev. Lett, Nature. Commun.,Phys. Rev. Applied等期刊发表合作论文六篇。

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