二维MnS基反铁磁隧道结中的界面极化效应及其在磁阻存储器中的应用研究

为解决反铁磁隧道结(AFMTJs)因磁矩补偿导致的低自旋极化率和弱隧穿磁阻(TMR)效应问题，研究人员基于二维MnS材料构建了vdW AFMTJs。通过非平衡格林函数-密度泛函理论耦合计算，发现其Z轴方向具有优异界面极化特性，TMR高达455.34%。该研究为开发高性能磁阻随机存储器(MRAM)提供了新理论依据。

　　

在磁电子学领域，传统铁磁(ferromagnetic, FM)隧道结虽具有高灵敏度等优势，但其缓慢的自旋翻转速度和抗干扰能力差等问题严重制约发展。相比之下，反铁磁(antiferromagnetic, AFM)材料凭借更快的动力学特性和稳定性成为研究热点，但其固有的磁矩补偿效应会导致自旋极化率降低，进而削弱隧穿磁阻(tunnel magnetoresistance, TMR)效应——这个矛盾成为制约AFM隧道结应用的关键瓶颈。

武汉科技大学冶金过程系统科学湖北省重点实验室、耐火材料与冶金国家重点实验室等机构的研究人员独辟蹊径，选择具有特殊磁结构的二维MnS材料作为突破口。这种材料的锰原子自旋态在空间上分布于不同xoy平面，理论上可通过界面极化效应突破自旋补偿限制。相关研究成果发表在《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》上。

研究采用量子ATK软件包，结合密度泛函理论(DFT)和非平衡格林函数(NEGF)方法进行模拟计算。通过GGA+U方法处理强关联3d电子，设置Mn的Hubbard U参数为2 eV，并采用15×15×1 k点网格进行结构优化。

计算结果与讨论部分揭示：在平行(P)状态下，左右界面极化方向相反导致隧穿电流I_P降低；而在反平行(AP)状态下，极化方向一致使I_AP显著增加。这种电流差异使得MnS基AFMTJs的TMR达到惊人的455.34%，远超传统结构。特别值得注意的是，无论采用真空势垒还是BN势垒，这种优异的界面极化特性都保持稳定，证实其源于MnS本身的磁构型而非散射层。

结论部分强调：该研究首次在二维vdW AFMTJs中实现无需化学刻蚀的界面极化，利用MnS独特的z方向磁分布特性，成功解决了AFM材料自旋退化的核心难题。所提出的理论模型与量子力学基本原理高度吻合，为开发高密度、低功耗的自旋电子器件提供了全新思路。

这项工作的创新性主要体现在三方面：一是首次将界面极化理论应用于二维vdW AFMTJs体系；二是通过材料本征特性替代复杂工艺（如化学刻蚀）实现极化调控；三是所获得的TMR值创下同类结构的新纪录。这些突破不仅为MRAM器件设计开辟了新路径，也为其他二维磁性材料的界面工程研究提供了重要参考。