二维锰/钒插层石墨烯/h-BN磁隧道结中巨隧穿磁阻效应的应变调控与机制研究

来自研究团队通过第一性原理计算，构建了以过渡金属插层石墨烯为电极、h-BN为势垒层的全二维磁隧道结（MTJ）。研究发现Mn、V插层体系（Mn-Gr/V-Gr）可实现超高达4.35×108%和1.86×105%的隧穿磁阻（TMR），并具有奇偶振荡特性。双轴应变可进一步将TMR提升至109%和107%，为二维范德华异质结自旋电子器件提供新方案。

　　

原子插层技术为精准调控二维材料的层间电子耦合与自旋构型提供了新途径。本研究提出了一种基于过渡金属插层石墨烯电极和六方氮化硼（h-BN）势垒层的全二维磁隧道结（Magnetic Tunnel Junction, MTJ）构建策略。第一性原理计算表明，插层不仅通过空间位阻效应稳定了原子的均匀分散，还诱导石墨烯产生自旋极化，进而稳定了插层原子的铁磁基态。

锰插层体系（Mn-Gr）和钒插层体系（V-Gr）表现出卓越的自旋电子学性能：其隧穿磁阻（Tunneling Magnetoresistance, TMR）随势垒层厚度呈现明显的奇偶振荡现象。在单层h-BN势垒（n=1）的Mn-Gr体系中，获得了高达4.35×10⁸%的巨TMR；而三层势垒（n=3）的V-Gr体系最大T达到1.86×10⁵%。双轴应变可进一步显著增强TMR性能，使Mn-Gr和V-Gr体系的TMR分别提升至10⁹%和10⁷%。

此外，该器件还具有完美的自旋过滤效应和显著的负微分电阻特性，为基于二维范德华异质结构的高性能自旋电子器件与存储应用开辟了新路径。采用GGA+U方法（对Mn和V设置U=4 eV，J=1 eV）进行的补充计算表明，强在位库仑相互作用可进一步提高平衡态TMR值（Mn-MTJ和V-MTJ分别达到8.61×10⁸%和4.46×10⁵%），且不改变与层数n相关的主要趋势和奇偶输运特性，关键发现具有良好鲁棒性。

作者声明无利益冲突。