MatCloud+｜純二維自旋閥器件的神奇物理特性！

引子

2007年，諾貝爾物理學獎鄭重的授予給了費爾（Albert Fert）和格林貝格爾（Peter Grunberg），用以表彰他們於1988年及1989年發現的巨磁阻效應。事實上，巨磁阻效應自發現以來，迅速受到了廣泛關注，並立刻被投入到工業生產中，在10年間帶來了一場“資訊儲存革命”，將硬碟容量數百倍乃至數千倍的提升。這一效應的發現也徹底改變了資訊科技行業的面貌。

然而，隨著時間的推移，各種新興半導體技術層出不窮，資訊儲存領域的發展逐漸遇到了瓶頸，如何改良現有儲存裝置將是一個重大且困難的課題。石墨烯的發現引發了資訊功能材料界的地震，這標誌著二維材料將開始走進人們的視野。

將二維材料應用至資訊儲存領域將是一個很有意義的研究，利用二維材料體積小的特點，可以將資訊儲存器的儲存密度大幅提高，以適應當下資訊時代的高速發展。北京量子資訊科學研究院聯合清華大學在《npj 2D materials and applications》上發表的名為《Spin filtering effect in all-van der Waals heterostructures with WSe2 barriers》文章，構建了Fe3GeTe2（FGT）/WSe2/FGT純二維隧道結表現出了奇異的磁阻效應，揭示了磁阻隨WSe2厚度變化的秘密。

研究內容

從二維材料發現以來，經過數十年的研究，人們已經在實驗室中成功製備瞭如MoS2、WSe2、In2Se3、CrI3、GeSe、CuInP2S6等一系列二維材料，材料的製備合成工藝也日漸成熟，這使得開發各種二維器件成為可能。北京量子資訊科學研究院的Yuanhui Zheng等人，利用二維WSe2為介電材料，以FeGeTe（FGT）為電極構建瞭如圖1（c）中所示的磁性隧道結結構。該結構中WSe2的厚度為12 nm，由多層二維結構透過範德華力接觸構成。FGT在低溫下表現出鐵磁性金屬，易磁軸為c軸，即面外方向，其晶體結構如圖1（a）所示，居里溫度為220 K。WSe2的晶體結構如圖1（b）所示，其價帶頂由W的5d電子和Se的4p電子軌道構成，表現出明顯的半導體特性。

圖1 FGT和WSe2的晶體結構及器件結構示意圖

作者首先測定了器件10 K環境下的I-V特性曲線，如圖2（a）所示，其表現為對稱的非線性結構，這是明顯的隧道結特徵。為研究結構的磁阻效應，作者測定了在面外磁場作用、10 uA電流的作用下電阻隨外加磁場強度的磁阻變化曲線（V-H回線）。如圖2（b）所示，當磁感應強度達到0。19 T後，磁阻迅速減小，當磁感應強度繼續增大到0。33 T後，磁阻再次增大，回到原先水平。這一現象同時在-0。19 T到-0。33 T的磁感應強度範圍內出現，其磁阻變化量達到了-4。3%。這一結果表明，磁矩反平行排列時的電阻小於磁矩平行狀態時的電阻。其磁阻變化率是之前報道過的WSe2基自旋閥的4倍左右。

圖2 FGT/WSe2/FGT磁阻率隨外界條件的變化

作者進一步研究了電流大小對磁阻率的影響，如圖2（c）所示，隨著電流大小的升高，磁阻率開始下降。在溫度為10 K的環境下時，當電流大小從10 nA升高到1 uA後，其磁阻率從-4。3 %下降到了-0。3 %，且其幾乎隨電流變化呈線性變換。作者認為，導致這一現象的原因和體系中的高能態電子有關，他們通常被束縛在介面或缺陷處，隨著電流的增大，這些電子也可以貢獻電流。同時，作者也研究了溫度對磁阻率的影響規律，隨著溫度從10 K升高到200 K後，磁阻率從-4。3 %下降到了-0。8 %。這可以歸因於FGT的磁化強度隨溫度升高而下降導致。

為探究二維材料中由於厚度引起的自旋閥磁阻率的問題，作者還製備了9。6 nm、6。9 nm等多種厚度不同的FGT/WSe2/FGT薄膜。如圖3（a）為6。9 nm厚度的FGT/WSe2/FGT薄膜伏安特性曲線，它表現出明顯的金屬性。其磁阻率顯示在圖3（b）中，不同於12 nm結構，6。9 nm結構表現出正的磁阻率，即，FGT磁矩平行排列時，結構的電阻率小於FGT磁矩反平行排列時的狀態。作者研究了磁阻率隨電流變化的變化規律，如圖3（c）所示，在10 K的溫度環境下，當電流從10 nA增加到50 uA後，磁阻率明顯下降，從25%下降到3。3%，如圖3（d）所示，磁阻率同樣也會隨著溫度的降低而顯著下降。

圖3 6。9 nmWSe2自旋閥物性分析

作者為確認薄膜厚度對磁阻率的影響，測試了一系列厚度不同的薄膜器件結構，如圖4（a）所示，整體而言，當薄膜尺寸小於9。6 nm後，器件表現出正的磁阻效應，而當薄膜尺寸大於9。6 nm時，器件則具有負的磁阻效應。事實上，對於自旋閥結構，異質結間的層間作用影響是十分強烈的，為此作者藉助第一性原理計算的手段，研究了FGT與WSe2間的層間作用關係。如圖4（b）所示，圖中給出了FGT/WSe2/FGT的層電子態密度影象，其費米能級位於導帶底附近，這表明，該器件是n型摻雜半導體。與此同時，靠近FGT的WSe2層的態密度表現出了十分強的雜化效應，而在第二層到第四層，WSe2受到的雜化效應減小，5層之後的WSe2幾乎不受FGT的影響。這解釋了為什麼在更厚的狀態下，器件表現為肖特基接觸的半導體性質，而在較薄的環境下，介面雜化起主導性質，表現為金屬性。

圖4 厚度對FGT/WSe2/FGT器件的影響規律及FGT/WSe2/FGT異質結層間電子態密度圖。

為解釋不同厚度導致了不同的磁阻率現象，作者透過第一性原理細緻的研究了FGT/WSe2/FGT的能帶結構。首先研究了不同厚度的WSe2薄膜的能帶結構，其具有清晰的帶隙，如圖5（a）-（c）所示，有趣的是，隨著厚度的增加，WSe2薄膜從直接帶隙半導體變為了間接帶隙半導體。在計算中，自旋軌道耦合效應已被考慮在內。在單層WSe2結構中，導帶底位於K點，載流子將沿著K點傳輸，這種模式為1態，帶隙為1。45 eV。當增加WSe2厚度時，如圖5（b）所示，出現了位於Q點的導帶底和位於Gamma點的價帶頂，載流子可以沿著Q-K路徑傳播。然而，當更進一步增加厚度時，如圖5（c）所示，導帶頂從K點轉移至Q點，載流子僅能在Q點傳輸，其具有三種對稱態：1、2`和5。

在FGT/WSe2/FGT自旋閥中，存在多種載流子輸運通道。圖5（d）給出了塊體FGT的能帶結構，黑色和紅色的線分別代表自旋上和自旋下電子能帶。考慮到WSe2的導帶頂位於Q點，我們認為，在FGT中，費米能級Q點附近的能帶為有效的載流子輸運通道。如圖5（e）-（f），在費米能級附近存在3條自旋上通道，及2條自旋下通道。在自旋上的兩條能帶中一條為5態，寫作C1，另一條為1態，寫作C2，在自旋下通道中也存在兩條，分別寫作C3和C4，它們都具有 1、2、2`、5態。現在考慮兩種不同的自旋閥情況，當兩側FGT磁矩平行排列時，如圖5（g）所示，從左側FGT中Q點輸入的電子為C1和C2態，此時由於對稱性限制，右側C2態無法接收C1態電子，右側C1態電子無法接收左側C2態電子，導致阻值增大。而當兩側FGT反平行時，如圖5（h）所示，此時左側C1和C2態電子均透過輸運後可以傳輸到右側FGT任意一條能帶上，所以使得電阻下降。這解釋了FGT/WSe2磁阻率為負的原因。

圖5 FGT/WSe2/FGT異質結能帶結構及電子輸運原理圖

寫在後面

物理、化學、材料、生物等學科越來越注重理論分析，資料結果若沒有理論支撐通常會使成果缺乏說服力，難以受到人們的關注。第一性原理計算則是一種非常實用的理論分析手段，它根植於量子力學基本原理，受到了學術界近半個世紀的檢驗，已成為當下用於解釋實驗最具說服力的工具之一。然而第一性原理計算的學習也是漫長且艱辛的，它需要學者們掌握量子力學、固體物理、固體能帶理論、密度泛函理論甚至群論分析等等複雜的物理及數學理論基礎，學習時間將變得十分漫長，這對於實驗組的同學或老師來說是一件十分困難的事情。由此想給出令人信服的實驗機理解釋則更是難上加難。即便在基本掌握上述理論基礎後，第一性原理繁瑣的操作同樣讓人望而卻步。第一性原理計算是十分耗費計算資源的，為追求最大化利用計算機，絕大多數第一性原理計算軟體均基於人們日常不會使用到的linux作業系統編寫，這又增加了第一性原理計算的入門門檻。因此，能同時涉足實驗和計算的科研工作者，可謂鳳毛麟角。

基於以上痛點，北京邁高材雲科技有限公司開發了MatCloud+高通量材料整合計算平臺（後文將簡稱為MatCloud+平臺）。它幾乎解決了以上所有問題，提供了一個很好的第一性原理計算平臺。

該平臺解決了第一性原理計算軟體操作複雜的問題 ，僅需在網頁上透過拖拽功能元件搭建工作流，點選式設定計算引數，徹底擺脫了第一性原理計算中複雜的引數設定環節。

平臺繞過理論基礎，複雜的第一性原理計算軟體整合成一個“專有模組，使用者只需告訴平臺自己的需求，即可得到相應結果。

平臺已整合VASP、Quantum Espresso等主流第一性原理計算軟體，免去軟體維護和安裝方面的麻煩，輕鬆入手第一性原理計算。

具有強大的高通量計算能力，可以同時針對多個結構，完成各種性質計算。

本次就以晶體的能帶計算為例，展示MatCloud+平臺的強大能力！

本次目標是計算出晶體bcc-Fe的能帶結構，首先通搭建如圖a所示的工作流結構。並在“通用匯入元件”中選擇bcc-Fe晶體，關於如何搭建工作流，可以參考該公眾號之前的推文。之後點選計算即可。

圖a 能帶結構計算所需的工作流

注意，使用者根據自身需求分別設定各個元件的相應計算引數，在第一性原理計算中，計算能帶結構需要給出相應的高對稱點座標（k點），而MatCloud+平臺可以透過識別晶體對稱性，自動生成所需的高對稱點座標用於能帶計算。

引數設定完成後，點選儲存，隨後提交計算，等待計算完成後，重新整理介面，會在工作流右側出現綠色的“對勾”圖示，如圖b所示。點選“能帶結構”元件後面的三個點，點選［檢視結果］按鈕。

圖b 計算完成後示意圖

如圖c所示，平臺將會直接給出計算結果，能帶結構、帶隙和費米能級等資訊，免去繁瑣的後處理工序，此外，該圖的所有資料均可匯出到本地，使用者可以按照自己所需調整和繪製圖像。

圖c MatCloud+平臺能帶計算後處理結果