《Physical Review Applied》22卷（2024年）刊载的 “Half-Metallic CrAs Nanosheet for Magnetic Tunnel Junctions” 研究，由电子科技大学物理学院卢强、东北大学龚卫江、新南威尔士大学Sean Li等团队合作完成。这项研究聚焦二维半金属铁磁材料CrAs纳米片在自旋电子器件中的应用潜力，结合密度泛函理论（DFT+U）与非平衡格林函数（NEGF）方法，系统探究了其磁性、电子输运特性及磁隧道结（MTJ）性能。
学术背景
随着电子器件向纳米尺度发展，自旋电子学（spintronics）成为利用电子自旋属性实现信息存储与传输的前沿领域。磁隧道结（Magnetic Tunnel Junction, MTJ）作为核心器件，其性能取决于自旋极化率（SPR）与隧道磁阻（TMR, Tunneling Magnetoresistance）效应。传统二维材料（如石墨烯、磷烯）缺乏本征磁性，而现有二维铁磁材料（如CrI₃）居里温度（T₃）普遍低于室温，严重制约实际应用。2017年发现的单层CrAs被预测为具有高T₃（953 K）和面外易磁化轴的半金属铁磁体，成为解决上述瓶颈的潜在材料。
研究方法与流程
材料稳定性验证
- 采用VASP软件进行DFT+U计算（U=3 eV），通过声子谱分析证明CrAs单层的动力学稳定性。
- 基于20×20×1 k点网格和520 eV截断能优化结构，晶格参数为4.23 Å，内聚能-3.6 eV/晶胞表明其可实验合成。
- 通过5 ps的AIMD模拟（300 K）验证热稳定性，未出现键断裂。
磁性及电子结构表征
- 对比铁磁（FM）与反铁磁（AFM）构型，能量差ΔE=E_AFM-E_FM确认FM为基态。
- 自旋极化能带计算显示：自旋向上通道呈金属性，自旋向下通道为3.32 eV带隙半导体，符合半金属特性。
- 磁各向异性能（MAE）计算表明，面外易磁化轴（MAE=637 μeV/Cr），且双轴应变不影响这一特性。
磁隧道结设计
- 构建CrAs/砷烯（arsenene）/CrAs异质结MTJ，沿锯齿形（zigzag）和扶手椅形（armchair）方向分别设为Z-S和A-S系统。
- 采用Nanodcal软件结合NEGF方法计算自旋相关输运性质，设置100×1×1 k网格和150 Hartree截断能。
输运性能分析
- 通过Landauer-Büttiker公式计算平行（PC）与反平行（APC）构型下的电流：
[ I_σ = \frac{e}{h} \int T_σ(E)[f_L(E)-f_R(E)]dE
] - TMR比率定义为：
[ R_{TMR} = \frac{IP - I{AP}}{I_{AP}}
]
核心结果
磁性特性
- 蒙特卡洛模拟得到T₃高达953 K，远超室温（~300 K）。
- 应变调控实验显示：拉伸应变增强MAE，压缩应变降低MAE，但均保持面外易磁化。
输运性能
- TMR效应：Z-S系统峰值TMR达8.9×10¹⁰，A-S系统在1 V偏压下仍维持>10⁶。
- 自旋过滤效应：PC构型下SPR≈100%，仅自旋向上电子参与导电；APC构型中电子传输被显著抑制。
- 透射函数分析解释机制：PC构型下费米能级附近自旋向上透射峰（T≈0.1），APC构型透射趋近于零。
投影态密度（PDOS）
- PC构型中电极区CrAs呈现高态密度，中间砷烯层形成势垒；APC构型因两侧磁矩反向，电子传输受阻。
结论与价值
该研究首次系统论证了二维CrAs纳米片作为MTJ电极的可行性：
- 科学价值：揭示了CrAs半金属性与高T₃的物理机制，为二维磁性材料设计提供新范式。
- 应用价值：
- 超高TMR比率（10¹⁰）超越传统CoFeB/MgO基MTJ（典型值~600%）。
- 100%自旋极化电流可服务于高密度磁存储与自旋逻辑器件。
- 砷烯界面层仅有6.2%晶格失配，兼容现有半导体工艺。
亮点与创新
- 材料创新：首次将CrAs纳米片应用于MTJ设计，其高T₃与半金属性填补领域空白。
- 方法创新：结合DFT+U与NEGF，量化应变对MAE的调控效应。
- 性能突破：实现室温下TMR>10⁶的实际工作条件，优于同类研究（如Mn₂NF₂基MTJ的TMR~10⁹%）。
其他发现
- 剥离能（26 meV/Ų）介于石墨烯与h-BN之间，表明可通过机械剥离制备。
- 偏压稳定性：1 V高偏压下TMR未显著衰减，满足高功耗场景需求。
该工作为下一代自旋电子器件提供了理论依据与材料候选，相关成果受国家自然科学基金（12274063、12074209）及四川省科技计划（24NSFSC1271）支持。