学术动态 学术动态

回到完整页面
«返回

内容

东北大学材料学院在全电读写电子器件研究方面取得重要进展

在磁记录中,磁化方向被用来记录比特01,实现信息的读和写需要探测和操控磁化方向。隧穿磁电阻效应可以用来读取磁化方向,而磁化状态的写入通常需要施加外磁场、自旋极化的电流或自旋流。然而,这些操作不可避免地产生大量的焦耳热。

为了实现超低能耗的电子器件,通过电场来翻转磁化方向是一种有效手段,特别是利用电场实现磁矩的180°非易失翻转对未来智能化的信息技术发展至关重要。但是,在物理机制上,由于电场无法打破时间反演对称性,所以利用电场实现180°的磁化翻转一直是国际上的挑战性研究课题。

近日,东北大学张宪民教授研究组等采用第一性原理计算方法,从结构设计的角度出发,提出利用对称的器件结构和反平行的磁矩构型,实现了磁化状态的全电读取和写入,获得了电场条件下磁矩的180°非易失翻转和高的隧穿磁电阻率。相关成果以"Full-Electrical Writing and Reading of Magnetization States in a Magnetic Junction with Symmetrical Structure and Antiparallel Magnetic Configuration"为题发表在美国化学学会期刊ACS Nano上,论文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c03821

该研究利用二维材料CrBr3h-BN1T-MnSe2构建了CrBr3/h-BN/1T-MnSe2/h-BN/CrBr3电子器件,其中两个CrBr3层的磁矩固定为反平行状态。如图1所示,改变外加电场的方向和大小,1T-MnSe2的磁矩可以翻转180°。由于器件结构的对称和1T-MnSe2材料的磁晶各向异性产生的能量势垒保证了器件中磁矩翻转的非易失性。同时,该器件的隧穿磁电阻率可以达到421%(见图2),显示了在全电自旋电子器件中潜在的应用价值。

1.a)电子器件CrBr3/h-BN/1T-MnSe2/h-BN/CrBr3的结构图。(b)器件自旋和原子分辨的态密度。(c)不同电场下DOWNUP态的能量差。

2.a)器件Gr/CrBr3/h-BN/1T-MnSe2/h-BN/CrBr3/Gr的结构。(b)自旋分辨的透射谱。(c-fk||分辨的透射,(c)和(d)分别对应于UP态自旋向上和自旋向下的通道,(e)和(f)分别对应于DOWN态自旋向上和自旋向下的通道。(gk||分辨的Gr的态密度。(h-k)不同通道的势垒。(h)和(i)分别对应于UP态自旋向上和自旋向下的通道,(j)和(k)分别对应于DOWN态自旋向上和自旋向下的通道。

实现磁化状态的全电读取和写入,不但可以大幅度地降低相关电子器件的功耗,而且对于开发未来的智能化电子器件具有十分重要的推动作用。该工作的第一作者为材料科学与工程学院博士研究生仝军伟,通信作者为东北大学张宪民教授。中国科学院空天信息创新研究院张瑞研究员、中国科学院苏州医工所周连群研究员、吉林大学田夫波教授和东北大学秦高梧教授等共同分析了研究结果。该工作得到了国家自然科学基金(51971057),辽宁省兴辽英才计划科技创新领军人才项目(XLYC2002075)和中央高校基本科研业务费(N2002023N2102012)的资助。