基于新型氮化MXene材料Mn?NO?的電子性質(zhì)和材料的熱電性質(zhì)

0 1引言

高磁阻器件在數(shù)據(jù)存儲和磁感應電子設(shè)備中起著關(guān)鍵作用。在這種器件中，阻變隨機存取存儲器以磁隧道結(jié)(MTJ)為代表，其中相對平行和反平行的自旋結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生兩種不同的阻態(tài)來攜帶信息，更大的MR可以為實際應用提供更高的靈敏度。關(guān)于高自旋極化材料，半金屬是最有前景的候選材料，因為它們的能帶結(jié)構(gòu)在一個自旋通道中是金屬的，而在另一個自旋通道中是半導體或絕緣的?；诎虢饘倌軒ЫY(jié)構(gòu)的特點，在半金屬構(gòu)建的器件中，半金屬的磁化方向相同的情況下，左電極中的多數(shù)自旋子帶中的電子將進入另一磁性層中的多數(shù)自旋子帶的空狀態(tài)。因此，總隧道電流將特別大。如果兩個半金屬磁性層的磁化方向相反，則觀察到另一種行為。一個磁性層的自旋帶中的大多數(shù)電子和自旋帶中的少數(shù)電子都不會進入另一個磁性層中的空位狀態(tài)，這種狀態(tài)下的隧道電流將非常小。半金屬材料會導致兩種不同磁化狀態(tài)的電流有很大差異。為了評估新型氮化MXene材料Mn?NO?的電子性質(zhì)和材料的熱電性質(zhì)，研究了Mn?NO?的電導率、塞貝克系數(shù)、聲子熱導率和ZT值。

0 2成果簡介

該工作設(shè)計基于半金屬Mn?NO?的優(yōu)秀巨磁阻器件，通過研究半金屬堆疊單層、雙層和三層器件的結(jié)構(gòu)的自旋電輸運性質(zhì)，進而得到巨磁阻效應隨層數(shù)變化的規(guī)律。該項目研究了器件的電子性質(zhì)、自旋電輸運性質(zhì)、自旋相關(guān)投影系數(shù)。對電子結(jié)構(gòu)的分析表明，鐵磁態(tài)的電子表現(xiàn)出高的電子透射率，而反鐵磁態(tài)的電子表現(xiàn)出低的透射率。Mn?NO?表面與Au (111)的附著可以改變費米能級的電子結(jié)構(gòu)，然而，它保留了Mn?NO?的半金屬性質(zhì)。器件的FM態(tài)和AFM態(tài)之間的超高巨磁阻值達到1.15×1031%，并且在增加層數(shù)時器件在小偏置電壓下達到最大值，這在實際應用中賦予器件靈敏度和節(jié)能特性。此外，在三種器件的六種配置中，觀察到了明顯的負微分電阻效應?？偟膩碚f，Mn?NO?是巨磁阻應用的理想材料，并且該項目所設(shè)計的器件是迄今為止理論上報道的具有最高磁阻比的自旋電子器件。在對材料的熱電性質(zhì)計算方面，使用基于非平衡態(tài)格林函數(shù)-密度泛函理論的第一性原理方法，本項目通過鴻之微的Nanodcal軟件分別計算了50–600K溫度范圍內(nèi)新型氮化MXene材料(Mn?NO?)的電導率、塞貝克系數(shù)、聲子熱導率和ZT值。較大的塞貝克系數(shù)和電導率以及較小的熱導率有利于高性能熱電材料。

0 3圖文導讀

該項工作設(shè)計了Au/nMn?NO?(n = 1，2，3)/Au的三種構(gòu)型，已經(jīng)經(jīng)歷了充分的弛豫，并且已經(jīng)達到了收斂標準。散射區(qū)域由1、2和3層Mn?NO?組成，緩沖區(qū)域由重復3層的Au (111)組成。該器件的兩個電極為相同的一層Au (111)，左右電極分別沿輸運方向無限延伸。另外該項工作計算了Mn?NO?在不同溫度下的熱導率、電導率、熱電優(yōu)值和塞貝克系數(shù)，溫度為300K時，Mn?NO?的熱電優(yōu)值為0.24。

圖1 (a)Mn?NO?的俯視圖和(b)側(cè)視圖，(c)Mn?NO?的能帶結(jié)構(gòu)和(d)態(tài)密度。

圖2 Mn?NO?材料的(a)聲子熱導率，(b)電子熱導率，(c)電導，(d)熱電優(yōu)值(ZT)和(e)塞貝克系數(shù)。

圖3 (a)器件半金屬層分別為一層、二層和三層的結(jié)構(gòu)示意圖。(b)不同偏置電壓下巨磁阻隨層數(shù)的變化趨勢。

圖4 單層器件的自旋分辨投影態(tài)密度（PLDOS）。鐵磁狀態(tài)(a)多數(shù)自旋和(b)少數(shù)自旋PLDOS，以及反鐵磁狀態(tài)(c)多數(shù)自旋和(d)少數(shù)自旋PLDOS。

0 4小結(jié)

該項工作基于半金屬Mn?NO?設(shè)計出了的優(yōu)秀巨磁阻器件，并且可以通過半金屬層的層數(shù)調(diào)節(jié)，在更低的偏壓獲得高的巨磁阻效應，同時強調(diào)了材料的熱電性質(zhì)在設(shè)計磁阻器件時的重要性，并且應該將熱電性質(zhì)作為一項衡量構(gòu)建器件材料的指標。Mn?NO?是巨磁阻效應應用的理想材料，并且所開發(fā)的器件是迄今為止理論上報道的具有最高磁阻比的自旋電子器件，為巨磁阻器件的構(gòu)建提供了重要的啟示。