Giant electrode effect on tunneling magnetoresistance and electroresistance in van der Waals intrinsic multiferroic tunnel junctions using VS2

范德瓦尔斯力 材料科学 凝聚态物理 自旋电子学 铁磁性 电极 磁电阻 量子隧道 铁电性 多铁性 纳米技术 光电子学 物理 量子力学 电介质 分子 磁场
作者
Zhi Yan,Ruixia Yang,Fang Cheng,Wentian Lu,Xiaohong Xu
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:109 (20) 被引量:28
标识
DOI:10.1103/physrevb.109.205409
摘要

Van der Waals multiferroic tunnel junctions (vdW-MFTJs) with multiple nonvolatile resistive states are highly suitable for new physics and next-generation storage electronics. However, currently reported vdW-MFTJs are based on two types of materials, i.e., vdW ferromagnetic and ferroelectric materials, forming a multiferroic system. This undoubtedly introduces additional interfaces, increasing the complexity of experimental preparation. Herein, we engineer vdW intrinsic MFTJs utilizing bilayer ${\mathrm{VS}}_{2}$. By employing the nonequilibrium Green's function combined with density functional theory, we systematically investigate the influence of three types of electrodes (including non-vdW pure metal Ag/Au, vdW metallic $1\mathrm{T}\text{\ensuremath{-}}{\mathrm{MoS}}_{2}/2\mathrm{H}\text{\ensuremath{-}}{\mathrm{PtTe}}_{2}$, and vdW ferromagnetic metallic ${\mathrm{Fe}}_{3}{\mathrm{GaTe}}_{2}/{\mathrm{Fe}}_{3}{\mathrm{GeTe}}_{2}$) on the electronic transport properties of ${\mathrm{VS}}_{2}$-based intrinsic MFTJs. We demonstrate that these MFTJs manifest a giant electrode-dependent electronic transport characteristic effect. Comprehensively comparing these electrode pairs, the ${\mathrm{Fe}}_{3}{\mathrm{GaTe}}_{2}/{\mathrm{Fe}}_{3}{\mathrm{GeTe}}_{2}$ electrode combination exhibits optimal transport properties, the maximum TMR (TER) can reach 10949% (69%) and the minimum resistance-area product (RA) is 0.45 $\mathrm{\ensuremath{\Omega}}$ $\textmu{}{\mathrm{m}}^{2}$, as well as the perfect spin filtering and negative differential resistance effects. More intriguingly, TMR (TER) can be further enhanced to 34 000% (380%) by applying an external bias voltage, while RA can be reduced to 0.16 $\mathrm{\ensuremath{\Omega}}$ $\textmu{}{\mathrm{m}}^{2}$ under the influence of biaxial stress. Additionally, considering the impact of surface dangling bonds of pure metal electrodes on the multiferroicity of ${\mathrm{VS}}_{2}$, we introduce a graphene interlayer between them. This strategy effectively preserves the intrinsic properties of ${\mathrm{VS}}_{2}$ and significantly amplifies the TMR (TER) of the MFTJ composed of Ag/Au electrode pairs by an order of magnitude. Our proposed concept of designing vdW-MFTJs using intrinsic multiferroic materials points towards new avenues in experimental exploration.
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