从两态到多态的范德华同质结垂直自旋阀

自旋阀的基本结构为两个铁磁金属层中插入一个非磁性间隔层来解耦，可以分别获得依赖于两个铁磁层磁矩平行或反平行配置的电阻，即磁电阻效应。这种三明治结构（铁磁金属/非磁性间隔层/铁磁金属）中的磁电阻效应是磁传感、数据存储和处理技术的基石，过去30多年来基于巨磁电阻（GMR）效应和隧穿磁电阻（TMR）效应信息产业的蓬勃发展最能体现这一点。

与广泛应用的传统三明治结构自旋阀不同，近期，中国科学院半导体研究所超晶格国家重点实验室王开友研究员课题组同常凯院士及魏钟鸣研究员课题组合作开展，利用二维铁磁金属Fe₃GeTe₂，首次报道了无间隔层的两态到多态垂直自旋阀。通过制备仅由Fe₃GeTe₂二维纳米片堆垛而成的同质结器件，分别演示了两态和三态自旋阀磁电阻效应(图1)。

图1 两态和三态自旋阀. 顶部h-BN钝化的(a)两态和(c)三态Fe₃GeTe₂范德华同质结自旋阀器件示意图；(b), (d)10 K下R_Junction-B曲线

基于范德华同质结的全金属自旋阀具有较小的电阻面积和较低的工作电流密度以及垂直两端器件结构，这种新型的简单自旋阀结构将可能实现更多态的磁学存储和逻辑器件。该研究成果以“From two- to multi-state vertical spin valves without spacer layerbased on Fe₃GeTe₂ van der Waals homo-junctions”为题发表于Science Bulletin 2020年第13期(doi:10.1016/j.scib.2020.03.035)上。

研究从实验和理论两方面深入理解和探究了范德华(vdW)界面在实现无间隔层自旋阀中所起的关键作用(图2)。这项工作揭示了基于二维磁性同质或者异质结实现多态非易失磁学存储和逻辑的可能性，并强调范德华界面是自旋电子学器件的基本组成部分。

图2 无间隔层自旋阀的物理机制. (a) Fe₃GeTe₂范德华同质结截面HAADF-STEM图；(b) 沿图(a)中蓝色虚线的强度分布图.范德华同质结界面宽度略大于范德华间隙；(c) Fe₃GeTe₂/Fe₃GeTe₂同质结计算模型；(d-f) 计算层间电荷转移和(g-i)能带结构随层间距的变化关系. (d) and (g), d₀ = 2.95Å. (e) and (h), d₁ = 3.95 Å. (f) and (i), d₂= 4.95 Å.

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