郑州大学杨洁课题组Phys. Rev. B: 界面键为交错磁隧道结铺设低阻通道

研究背景

磁隧道结(MTJ)是磁随机存储器(MRAM)和自旋电子器件中的核心元件。器件性能通常由两个指标共同决定：一是隧穿磁阻(TMR)，它关系到读出信号是否足够清晰；二是电阻面积乘积(RA)，它关系到器件是否容易集成到高密度、高速读写的电路中。交错磁体(altermagnet)是兼具反铁磁体和铁磁体特性的第三种磁体。它在实空间中总磁矩补偿，因而没有杂散场；但在动量空间中又具有类铁磁体的自旋劈裂，可以提供自旋选择性输运。正因如此，交错磁体被认为是下一代高密度自旋电子器件的重要候选材料。已有的交错磁隧道结(AMTJ)研究显示，理论上可以获得较高TMR，但实际器件往往面临RA偏大的问题。例如RuO₂/TiO₂/CoFeB相关实验器件的RA约为10⁶ Ω·μm²，远高于高密度MRAM对低RA的需求。本文关注的问题是：能否在AMTJ中同时做到“高TMR”和“低RA”？本工作选择了层状室温金属交错磁RbV₂Te₂O作为电极材料。该材料在费米能级附近具有显著自旋劈裂，并且层状结构有利于沿(001)方向剥离和构筑界面，为设计可集成的AMTJ提供了合适平台。

图1：(a) RbV₂Te₂O的晶体结构和磁结构； (b) 自旋密度； (c) 布里渊区； (d) 费米面； (e) 自旋分辨能带结构。

研究内容

在RbV₂Te₂O/SrTiO₃界面中，作者首先比较TiO₂界面和SrO界面两类势垒表面，并枚举VO、Rb、Te_I、Te_II等不同RbV₂Te₂O界面终止方式。筛选结果把全文主线指向一个非常具体的界面：VO界面终止的RbV₂Te₂O与TiO₂界面终止的SrTiO₃接触。该界面构型中，界面V原子正对TiO₂平面的O原子，V-O距离约为1.80 Å，小于V-O共价半径和1.88 Å，说明这里形成了强V-O键。其界面分离能达到4.04 J/m²，明显高于其他构型。

图2：RbV₂Te₂O/SrTiO₃的八种界面构型。(a) VO界面与TiO₂界面接触，V原子正对O原子， (b) Rb界面与TiO₂界面接触，Rb正对TiO₂四边形角落；(c) Te_I界面与TiO₂界面接触，Te_I正对Ti原子；(d) Te_II界面与TiO₂界面接触，Te_II正对Ti原子；(e) VO界面与SrO界面接触，O原子正对Sr原子；(f) Rb界面与SrO界面接触，Rb正对Sr原子；(g) Te_I界面与SrO界面接触，Te_I正对O原子；(h) Te_II界面与SrO界面接触，Te_II正对O原子。

随后，作者构建了RbV₂Te₂O/SrTiO₃/RbV₂Te₂O交错磁隧道结，并采用第一性原理结合非平衡格林函数方法计算自旋分辨输运性质。左、右RbV₂Te₂O电极分别作为参考层和自由层：当两侧V原子磁矩排列一致时为平行态(P)，当自由层Néel矢量翻转180°时为反平行态(AP)。SrTiO₃的最慢衰减态在二维布里渊区的分布与RbV₂Te₂O的交叉条带状费米面高度匹配。也就是说，平行态下电子可以较高效率穿过势垒，而反平行态下动量空间自旋分布严重失配，隧穿过程被强烈抑制。

在3个原子层厚的SrTiO₃势垒中，平行态总透射系数TP为1.06 × 10^-3，而反平行态TAP仅为1.61 × 10^-14，由此得到约6.58 × 10¹²%的巨大TMR。即使将SrTiO3加厚到5个原子层，费米能级处TMR仍可达到约1.58 × 10¹²%。

图3：SrTiO₃势垒AMTJ的器件结构与输运结果。(a) RbV₂Te₂O/SrTiO₃/RbV₂Te₂O (001)器件模型，左侧和右侧RbV₂Te₂O分别作为参考层和自由层；(b) 投影局域态密度；(c) SrTiO₃在费米能级处的最慢衰减态分布；(d) 平行态下自旋向上透射谱；(e) 平行态下自旋向下透射谱；(f) 平行态下总透射谱；(g) 反平行态下自旋向上透射谱；(h) 反平行态下自旋向下透射谱；(i) 反平行态下总透射谱；(j) 3L SrTiO₃时总透射系数和TMR随能量变化；(k) 5L SrTiO₃时总透射系数和TMR随能量变化。

对于3L SrTiO₃势垒，平行态RA只有3.82 Ω·μm²，接近高密度器件对低阻的要求。低RA并不是单纯因为SrTiO₃势垒“更容易穿过”，而是因为VO-TiO₂界面的强V-O键把势垒两侧原本分离的V原子链连接成连续通道。换句话说，V-O键在这里承担的是“桥”的作用，它把自旋隧穿的路径打通。交错磁隧道结的隧穿可以拆解为两个并联的子晶格通道。V-O键接通V原子链后，同一子晶格中的磁性V原子在界面处保持连续排列，电子不必跨越断裂或错位的原子路径，平行态透射自然增强，RA随之降低。相反，即使界面也存在其他强键，只要这些键没有沿V链方向接通输运路径，低阻优势就会丧失。VO-SrO界面提供了直接对照：它同样能够形成O-Sr键，但该键并不位于V原子链的连通方向上，因此V链的传输仍然被打断。计算得到的RA达到 1.03 × 10³ Ω·μm²，约为VO-TiO₂界面的300倍。这个差异说明，决定RA大小的不是界面有没有成键，而是是否形成了“沿V链方向的V-O键桥”。 

图4：(a) 界面V-O键把势垒两侧V原子链接成完整V原子链；(b) 完整V链在平行态下的输运情况；(c) 完整V链在反平行态下的输运情况；(d) 界面键偏离V原子链，V链被打断；(e) 断裂V链在平行态下的输运情况；(f) 断裂V链在反平行态下的输运情况。

MgO是传统MTJ中最常用的势垒材料之一。MgO表面也有O原子，似乎可能与RbV₂Te₂O形成V-O键。因此作者进一步考察了RbV₂Te₂O/MgO/RbV₂Te₂O结构。计算结果并不支持这个假定。最稳定的VO-MgO界面并没有形成目标V-O键，而是优先形成O-Mg键。由于Mg更容易与界面O发生结合，RbV₂Te₂O中的V原子到MgO中O原子的距离增至2.24 Å，超过V-O共价半径和，V原子链没有被接通。因此，3L MgO器件虽然仍具有9.50 × 10⁹%的高TMR，但平行态RA却升高到2.55 × 10⁷ Ω·μm²，比SrTiO₃情况高出约7个数量级。只有当界面原子排布和界面成键共同允许V-O键沿V原子链方向形成时，低RA才会真正出现。

图5：MgO势垒AMTJ的结构和输运模拟。(a) RbV₂Te₂O/MgO/RbV₂Te₂O (001)器件模型；(b) 平行态下自旋向上透射谱；(c) 平行态下自旋向下透射谱；(d) 平行态下总透射谱；(e) 反平行态下自旋向上透射谱；(f) 反平行态下自旋向下透射谱；(g) 反平行态下总透射谱；(h) 3L MgO时总透射系数和TMR随能量变化；(i) 5L MgO 时总透射系数和TMR随能量变化。

总结

这项工作提出了一条优化交错磁隧道结的新思路：高TMR主要依赖交错磁电极的高自旋极化和势垒中的动量匹配，而低RA的关键则进一步落到界面V-O键。界面化学键能否沿磁性V原子链形成连续桥接通道，是本文给出的核心判据。在RbV₂Te₂O/SrTiO₃/RbV₂Te₂O结构中，SrTiO₃提供了与RbV₂Te₂O费米面匹配的低衰减率，从而支撑巨大的TMR；更关键的是，VO-TiO₂界面形成强V-O键，将势垒两边的V原子链接成一条完整的V原子链，使RA降至3.82 Ω·μm²。这里的V-O键既是界面稳定性的来源，也是低阻通道的物理来源。

与此相对，MgO虽然是经典势垒材料，但在该体系中优先形成O-Mg键，不能形成界面V-O键，导致RA大幅升高。这说明交错磁隧道结的势垒筛选不能只看带隙、衰减率或传统经验，还必须把界面终止方式、界面成键纳入设计准则。从实际应用角度看，RbV₂Te₂O具有较低剥离能，SrTiO₃基异质界面也已有成熟制备经验。若未来能够在实验中精确控制表面终止和界面平整度，这类基于界面键工程的交错磁隧道结有望为低功耗、高密度自旋电子器件提供新的设计路线。

参考文献

Chao Mao, Shiqi Liu, Shunfang Li, Jinbo Yang, and Jie Yang. Interfacial bond tailored altermagnetic tunnel junctions. Physical Review B 113, 174409 (2026). DOI: 10.1103/xcwv-bvkr.