基于新型氮化MXene材料Mn₂NO₂的电子性质和材料的热电性质

0 1 引言  

高磁阻器件在数据存储和磁感应电子设备中起着关键作用。在这种器件中，阻变随机存取存储器以磁隧道结(MTJ)为代表，其中相对平行和反平行的自旋结构可以产生两种不同的阻态来携带信息，更大的MR可以为实际应用提供更高的灵敏度。关于高自旋极化材料，半金属是最有前景的候选材料，因为它们的能带结构在一个自旋通道中是金属的，而在另一个自旋通道中是半导体或绝缘的。基于半金属能带结构的特点，在半金属构建的器件中，半金属的磁化方向相同的情况下，左电极中的多数自旋子带中的电子将进入另一磁性层中的多数自旋子带的空状态。因此，总隧道电流将特别大。如果两个半金属磁性层的磁化方向相反，则观察到另一种行为。一个磁性层的自旋带中的大多数电子和自旋带中的少数电子都不会进入另一个磁性层中的空位状态，这种状态下的隧道电流将非常小。半金属材料会导致两种不同磁化状态的电流有很大差异。为了评估新型氮化MXene材料Mn₂NO₂的电子性质和材料的热电性质，研究了Mn₂NO₂的电导率、塞贝克系数、声子热导率和ZT值。

  0 2 成果简介  

该工作设计基于半金属Mn₂NO₂的优秀巨磁阻器件，通过研究半金属堆叠单层、双层和三层器件的结构的自旋电输运性质，进而得到巨磁阻效应随层数变化的规律。该项目研究了器件的电子性质、自旋电输运性质、自旋相关投影系数。对电子结构的分析表明，铁磁态的电子表现出高的电子透射率，而反铁磁态的电子表现出低的透射率。Mn₂NO₂表面与Au (111)的附着可以改变费米能级的电子结构，然而，它保留了Mn₂NO₂的半金属性质。器件的FM态和AFM态之间的超高巨磁阻值达到1.15×10³¹%，并且在增加层数时器件在小偏置电压下达到最大值，这在实际应用中赋予器件灵敏度和节能特性。此外，在三种器件的六种配置中，观察到了明显的负微分电阻效应。总的来说，Mn₂NO₂是巨磁阻应用的理想材料，并且该项目所设计的器件是迄今为止理论上报道的具有最高磁阻比的自旋电子器件。在对材料的热电性质计算方面，使用基于非平衡态格林函数-密度泛函理论的第一性原理方法，本项目通过鸿之微的Nanodcal软件分别计算了50–600K温度范围内新型氮化MXene材料(Mn₂NO₂)的电导率、塞贝克系数、声子热导率和ZT值。较大的塞贝克系数和电导率以及较小的热导率有利于高性能热电材料。

0 3 图文导读  

该项工作设计了Au/nMn₂NO₂(n = 1，2，3)/Au的三种构型，已经经历了充分的弛豫，并且已经达到了收敛标准。散射区域由1、2和3层Mn₂NO₂组成，缓冲区域由重复3层的Au (111)组成。该器件的两个电极为相同的一层Au (111)，左右电极分别沿输运方向无限延伸。另外该项工作计算了Mn₂NO₂在不同温度下的热导率、电导率、热电优值和塞贝克系数，温度为300K时，Mn₂NO₂的热电优值为0.24。

图1 (a)Mn₂NO₂的俯视图和(b)侧视图，(c)Mn₂NO₂的能带结构和(d)态密度。

图2 Mn₂NO₂材料的(a)声子热导率，(b)电子热导率，(c)电导，(d)热电优值(ZT)和(e)塞贝克系数。

图3 (a)器件半金属层分别为一层、二层和三层的结构示意图。(b)不同偏置电压下巨磁阻随层数的变化趋势。

图4 单层器件的自旋分辨投影态密度（PLDOS）。铁磁状态(a)多数自旋和(b)少数自旋PLDOS，以及反铁磁状态(c)多数自旋和(d)少数自旋PLDOS。

0 4 小结  

该项工作基于半金属Mn₂NO₂设计出了的优秀巨磁阻器件，并且可以通过半金属层的层数调节，在更低的偏压获得高的巨磁阻效应，同时强调了材料的热电性质在设计磁阻器件时的重要性，并且应该将热电性质作为一项衡量构建器件材料的指标。Mn₂NO₂是巨磁阻效应应用的理想材料，并且所开发的器件是迄今为止理论上报道的具有最高磁阻比的自旋电子器件，为巨磁阻器件的构建提供了重要的启示。　　

      审核编辑：彭静