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二维多铁隧道结的电子输运性质研究

中文摘要

二十一世纪以来，随着科学技术的飞速发展，人们对于新式低损耗微型器件的需求

逐渐增大。于是人们开始试着把铁磁材料和铁电材料结合在一起得到多铁性隧道结。在

这样由铁磁和铁电材料组成的多铁性隧道结中，隧穿电致电阻效应（TER）与隧穿磁阻

效应（TMR）是共存的，且可以通过施加外部磁场改变电极的磁化方向或通过施加电场

反转势垒层的铁电极化方向来单独操纵，这也使其成为设计多功能电子器件的理想平台。

到目前为止，大部分的多铁性隧道结都是基于氧化物钙钛矿材料，这样的器件在制

造过程中受到自然缺陷、界面接触电阻和悬空键的影响，在实际设备应用中很受限制。

幸运的是，丰富的范德华材料为研究多铁性隧道结开辟了一个新的途径，它的可控层厚、

完美界面和固有的层自由度，是探索由层间平移引起的新兴二维铁电性的极好候选者。

现在通过层间工程，已在拓扑半金属WTe、扭曲的金属双层石墨烯和绝缘的AB堆叠

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的双层h-BN中证明了滑动诱导的2D铁电性。此外，二维范德华材料的出现也使我们

相信，这些材料将成为下一代纳米电子学的新宠。

本论文通过将非平衡格林函数和密度泛函理论结合在一起研究了多铁性隧道结不

同构型的自旋极化相关电子输运性质，通过改变势垒层的情况来实现不同的铁电极化态

并计算其电子输运性质，主要内容和结果如下：

（1）基于第一性原理计算了多铁性隧道结FeGeTe/石墨烯/双层h-BN/石墨烯/CrI/

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石墨烯的两种不同构型的自旋极化相关电子输运性质，计算结果表明，这两种不同构型

的多铁性隧道结在平行构型时拥有完美的自旋过滤效应，同时在它们的反平行构型中均

出现了负微分电阻效应。除此之外，还在BA堆叠构型中出现了33594%的大TMR值，

以及在反平行态构型中出现了6683.8%的大TER值。本研究运用滑移铁电材料做铁电势

垒构建了多铁性隧道结，为多铁性隧道结的超大TMR值和TER值研究提供了新的思路

与可能。

（2）将非平衡格林函数和密度泛函理论结合在一起研究计算了多铁性隧道结

I

FeGaTe/SnS+SnSSe/FeGeTe在反转势垒层材料出现不同构型时的自旋极化相关电子

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输运性质，计算结果表明，这两种不同构型的多铁性隧道结在平行构型时有较好的自旋

过滤效应，同时在给反平行构型施加正偏压时也有非常好的自旋过滤效应。此外，还在

SnSSe/SnS势垒层的隧道结中发现了1406%的TMR值，TER的最大值239%出现在反平

行构型时的隧道结中。

关键词：多铁性隧道结；二维材料；自旋极化率；自旋电子学

II

Studyonelectrontransportpropertiesoftwo-dimensional

multiferroictunneljunctions

ABSTRACT

Sincethe21stcentury,withtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,peoples

demandfornewlowlossmicrodevicesisincreasing.Sopeoplebegantotrytocombine

ferromagneticmaterialwithferroelectricmaterialtogetmultiferroictunneljunction.Inthis

multiferroictunneljunctionmadeofferromagneticandferroelectricmaterials,thetunnel

resistance(TER)coexistswitht