多铁隧道结（MFTJ）由两个磁性电极以及中间的铁电隧道势垒层构成。当外加磁场使两个铁磁电极的磁矩在平行态和反平行态之间翻转，或者外加电场使铁电势垒层的电极化方向发生改变时，隧道结的电阻值会改变，可实现多级电阻态。因此MFTJ有望应用在下一代高速、低功耗、高性能的自旋电子学器件中。传统的基于钙钛矿氧化物材料的MFTJ的电阻-面积乘积(RA)通常较大，限制了它们在实际器件中的应用。近几年，基于二维(2D)范德瓦尔斯(vdW)材料的MFTJ被发现具有低的RA乘积，因此2D vdW磁性材料可能为MFTJ提供一个新的、更先进的材料平台。

最近，居里温度高于室温的vdW铁磁材料Fe₃GaTe₂和铁电材料α-In₂Se₃的发现为构建室温vdW MFTJ提供了可能性。本文采用第一性原理计算，研究了具有Fe₃GaTe₂/双层α-In₂Se₃/Fe₃GaTe₂结构的vdW MFTJ中的自旋相关的输运性质。计算结果显示，Fe₃GaTe₂电极的磁矩翻转导致的隧穿磁电阻(TMR)高达10000%；双层α-In₂Se₃的电极化方向改变所引起的电致电阻(TER)超过300%。此外，在一侧的Fe₃GaTe₂/双层α-In₂Se₃界面中插入单层hBN，导致两侧界面结构不对称，可以显著提高TMR和TER值。该研究结果表明，范德瓦尔斯多铁隧道结在自旋电子器件尤其是在多阻态非易失存储器领域，具有潜在的应用。

图1：不同铁电极化构型的MFTJs原子结构与其多级电阻态

我院苏玉荣副教授为论文通讯作者，微电子学院硕士研究生张远翔及华中科技大学李新录博士为共同第一作者。

引文信息：Yuanxiang Zhang, Xinlu Li, Jichao Sheng, Shujie Yu, Jia Zhang, Yurong Su; Multilevel resistance states in van der Waals multiferroic tunnel junctions above room temperature. Appl. Phys. Lett. 2023; 123 (19): 192402.

原文链接：https://doi.org/10.1063/5.0166878