第一作者：张英干
通讯作者：萨百晟；孙志梅
一、【导读】
自旋阀作为自旋电子器件的核心组件，广泛应用于磁性随机存取存储器等非易失性存储领域。传统自旋阀通常依赖外磁场调控磁状态，导致高能耗与低便携性。实现纯电场驱动的磁态切换，是当前自旋电子学领域的长期追求。
近年来，二维多铁材料因其同时具备铁电性和铁磁性，成为实现电控磁性的理想平台。然而，强磁电耦合效应的实现仍面临巨大挑战。针对这一问题，北京航空航天大学、厦门大学与福州大学的研究团队提出了一种基于α-MXene同质结的全电控自旋阀新策略，成功实现了电场调控下的铁磁/反铁磁态可逆切换，并获得了高达10⁶%的磁阻比，为非易失性存储器件的设计提供了全新思路。
二、【成果掠影】
本研究通过第一性原理计算与非平衡格林函数方法，系统研究了两种α-MXene材料（课题组设计的新型MXene材料）的结构、电子、磁性与铁电性能，并构建了基于它们的同质结自旋阀器件。主要成果包括：
- 高居里温度：Cr₂CO₂和Mn₂CO₂的居里温度分别为302 K和504 K，均接近或超过室温，具备实际应用潜力。
- 半金属特性：两种材料在自旋向上通道呈现金属性，向下通道为半导体，具有100%自旋极化率。
- 铁电性：同时具备面内与面外极化，极化切换能垒适中，与已有实验材料相当。
- 磁电耦合：通过切换铁电极化方向，可实现同质结中铁磁与反铁磁态的可逆调控。
- 超高磁阻比：构建的Cr₂CO₂和Mn₂CO₂基自旋阀，磁阻比分别达到2.02×10⁶%和5.51×10⁶%，远超已有电控自旋器件。
三、【核心创新点】
1. 首次提出基于α-MXene同质结的全电控自旋阀机制，实现了铁电调控磁态的无磁场操作。
发现了Cr₂CO₂和Mn₂CO₂的强磁电耦合效应，其铁磁/反铁磁态能量差高达122~192 meV/晶胞，远优于传统多铁异质结。
2. 实现了超高磁阻比，比已有电控自旋器件高出两个数量级，达到与某些磁性隧道结相当的水平。
3. 设计了理想的界面接触工程，在FM态下实现自旋向上通道的欧姆/电接触，AFM态下双自旋通道均被阻断，显著增强开关比。
四、【数据概览】
图1 全电控自旋阀机制示意图
图2 α-MXene的磁构型及交换耦合路径
图3 自旋阀中的界面接触特性
图4 自旋阀中自旋相关透射谱与磁阻比
五、【成果启示】
本研究首次提出并验证了基于α-MXene同质结的全电控自旋阀机制，解决了传统自旋阀依赖磁场调控的问题。Cr₂CO₂和Mn₂CO₂这两种材料不仅具备高居里温度和半金属性，还展现出强磁电耦合效应，为未来高性能、低功耗、非易失性存储器的设计提供了理想平台。此外，该工作也为其他二维多铁材料的设计与器件应用提供了通用策略：通过同质结界面工程和铁电调控，有望在更多材料体系中实现电控磁性。
原文详情：
Zhang Yinggan, Sa Baisheng, Zhou Jian, & Sun Zhimei, Nonvolatile electrically controlled spin valve via homojunction engineering. Physical Review B, 2026, 113(11), 115425.
DOI: 10.1103/4dv3-h2yn
