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基于双层CrI3二维范德华自旋电子器件自旋输运的理论研究

批准号:
22103020
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
陈昭
依托单位:
学科分类:
化学模拟与应用
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
陈昭

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
自旋电子器件由于具有功耗低、速度快和非易失性等优势,在信息技术领域备受关注。但传统磁性隧穿结因费米能级钉扎效应、隧穿层的质量不稳定和自旋弛豫问题,难以有效操控自旋输运过程实现大自旋极化和高隧穿磁阻。近年来双层CrI3因其层间磁耦合的特性在自旋电子学领域备受关注。本项目拟筛选出一系列与双层CrI3晶格匹配且费米能级分布在双层CrI3带隙中的二维非磁性金属,构建基于以双层CrI3 为通道区和二维非磁性金属为双电极的二维范德华磁性器件,通过第一性原理输运计算基于双层CrI3的自旋电子器件的自旋极化和隧穿磁阻。借助界面干净、平整且费米钉扎效应弱的二维范德华金属-双层CrI3结有望实现可调控的均匀隧穿,同时双层CrI3的本征磁性可保持通道的自旋极化状态。本项目研究有助于理解自旋电子器件隧穿磁阻效应的微观机理,对提升器件的自旋输运性能有重要的指导作用。
英文摘要
Spintronic devices have attracted intensive interest due to the potential advantages of low energy consumption, speeding up data processing, and non-volatility. However, traditional magnetic tunnel junctions (MTJs) faces a big challenges: manipulation of spin transport, due to the Fermi level pinning effect、tunneling non-uniformity and the spin relaxation of the tunnel barrier. Recently, bilayer CrI3 has become one of the hot spots in spintronics due to its magnetic properties of interlayer magnetic coupling. The main contents of the project include: to screen out a group of 2D non-magnetic metals, to construct a set of two-terminal 2D van der Waals (vdW) spintronic devices devices with bilayer CrI3 channel, to systematically explore the spin-polarized and tunnel magnetoresistance of 2D vdW magnetic devices by using first-principles transport calculations. The presence of 2D vdW metal-bilayer CrI3 junctions can achieve the tunable uniform tunnel with the clean and flat interfaces, due to the weak Fermi level pining effect. On the other hand, the intrinsic magnetism of bilayer CrI3 can ensure the spin-polarized of the channel. This research project will not only play an important role in understanding the microscopic mechanism of the tunnel magnetoresistance effect of spintronic devices, but also provide important information for improving the spin transport performance of spintronic devices.
磁性隧道结(MTJ)作为最突出的自旋电子器件之一,已被广泛应用于存储和计算系统。电写入被认为是提高电路集成密度和降低器件运行功耗的一种实用方法,但仍然具有挑战性。为此,我们提出了一种二维(2D)磁性隧道结(MTJ),其结构为 1T-MnSe2/h-BN/1T-MnSe2/h-BN/1T-MnSe2,具有高效的电写入、可靠的读取操作以及在室温下工作的巨大潜力。第一性原理研究证实,当两个外层 1T-MnSe2 的磁构型固定在反平行状态时,中心 1T-MnSe2 层的磁化方向可以通过改变电场的方向来反转。此外,我们对处于非平衡态的 MTJ自旋输运也进行了研究。得益于 1T-MnSe2 的半金属特性,当磁化信息通过电场在室温下写入时,隧道磁电阻(TMR)比值可达到非常令人满意的 2.56×1000%。另外,即使偏置电压逐渐增加,TMR 效应的性能也表现出良好的稳定性。另一方面实现多功能集成对于开发下一代纳米电子器件而言备受期待,但目前仍是一项挑战。我们结合冷金属和双极磁性半导体(BMS)的优势,在冷金属 2H-TaS2/BMS 2H-VS2/冷金属 2H-TaS2 横向同源异质结中同时实现了三种不同的功能,即自旋滤波、自旋阀和负微分电阻,其中 BMS 2H-VS2 受其上侧的左右两边的栅极调控。自旋滤波和自旋阀效应源于 2H-VS2 的双极自旋极化能带结构,其载流子的自旋取向可通过将费米能级移入价带或导带而轻易翻转。因此,在该异质结中,电流的自旋极化(自旋向上或自旋向下)和强度(高或低电导)可通过调整两个施加电极的极性来切换:当两个栅极电压均为正或均为负时,该异质结将实现自旋滤波,产生完全自旋向下或完全自旋向上的极化电流。当两个栅极电压具有相反的符号,由于 2H-VS2 两部分载流子自旋取向不匹配,导致电流被阻断,从而产生自旋阀效应。同时,冷金属 2H-TaS2 费米能级附近的本征能隙以及载流子从 2H-TaS2 到 2H-VS2 的带间隧穿,赋予了该结构显著的负微分电阻特性,峰谷电流比值较大。我们提出的磁隧道结和横向同源异质结是一种很有前景的高性能自旋电子器件,能够推动超低功耗自旋电子器件的设计。
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