With rich electrical and magnetic properties and environmental stability, layered MSi2N4 (M = transition metal) has recently attracted much attention. By using a ferromagnetic VSi2N4 monolayer as an electrode and a semiconducting MoSi2N4 monolayer as a tunneling barrier, an atomically thin VSi2N4/MoSi2N4/VSi2N4 magnetic tunnel junction (MTJ) is theoretically proposed. Our calculated results suggest that the MTJ has a giant tunneling magnetoresistance (TMR) as large as 1010% and a near perfect (100%) spin injection efficiency (SIE). Our nonequilibrium Green's functions calculations indicate that the TMR and SIE are robust under a finite bias voltage of −100 mV to 100 mV. These results show that layered MSi2N4 can be promising materials for designing atomically thin MTJ with a giant TMR for future spintronic applications.

1.
S.
Wolf
,
D.
Awschalom
,
R.
Buhrman
,
J.
Daughton
,
v. S.
von Molnár
,
M.
Roukes
,
A. Y.
Chtchelkanova
, and
D.
Treger
,
Science
294
,
1488
(
2001
).
2.
I.
Žutić
,
J.
Fabian
, and
S. D.
Sarma
,
Rev. Mod. Phys.
76
,
323
(
2004
).
3.
J. S.
Moodera
,
L. R.
Kinder
,
T. M.
Wong
, and
R.
Meservey
,
Phys. Rev. Lett.
74
,
3273
(
1995
).
4.
S. S.
Parkin
,
C.
Kaiser
,
A.
Panchula
,
P. M.
Rice
,
B.
Hughes
,
M.
Samant
, and
S.-H.
Yang
,
Nat. Mater.
3
,
862
(
2004
).
5.
E. Y.
Tsymbal
,
O. N.
Mryasov
, and
P. R.
LeClair
,
J. Phys.: Condens. Matter
15
,
R109
(
2003
).
6.
S.
Yuasa
,
T.
Nagahama
,
A.
Fukushima
,
Y.
Suzuki
, and
K.
Ando
,
Nat. Mater.
3
,
868
(
2004
).
7.
S.
Ikeda
,
K.
Miura
,
H.
Yamamoto
,
K.
Mizunuma
,
H.
Gan
,
M.
Endo
,
S.
Kanai
,
J.
Hayakawa
,
F.
Matsukura
, and
H.
Ohno
,
Nat. Mater.
9
,
721
(
2010
).
8.
K. S.
Novoselov
,
A. K.
Geim
,
S. V.
Morozov
,
D.
Jiang
,
Y.
Zhang
,
S. V.
Dubonos
,
I. V.
Grigorieva
, and
A. A.
Firsov
,
Science
306
,
666
(
2004
).
9.
K. S.
Novoselov
,
D.
Jiang
,
F.
Schedin
,
T.
Booth
,
V.
Khotkevich
,
S.
Morozov
, and
A. K.
Geim
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
102
,
10451
(
2005
).
10.
K. S.
Novoselov
,
A. K.
Geim
,
S. V.
Morozov
,
D.
Jiang
,
M. I.
Katsnelson
,
I. V.
Grigorieva
,
S. V.
Dubonos
, and
A. A.
Firsov
,
Nature
438
,
197
(
2005
).
11.
G. R.
Bhimanapati
,
Z.
Lin
,
V.
Meunier
,
Y.
Jung
,
J.
Cha
,
S.
Das
,
D.
Xiao
,
Y.
Son
,
M. S.
Strano
,
V. R.
Cooper
 et al,
ACS Nano
9
,
11509
(
2015
).
12.
C.
Tan
,
X.
Cao
,
X.-J.
Wu
,
Q.
He
,
J.
Yang
,
X.
Zhang
,
J.
Chen
,
W.
Zhao
,
S.
Han
,
G.-H.
Nam
 et al,
Chem. Rev.
117
,
6225
(
2017
).
13.
K. F.
Mak
,
C.
Lee
,
J.
Hone
,
J.
Shan
, and
T. F.
Heinz
,
Phys. Rev. Lett.
105
,
136805
(
2010
).
14.
B.
Radisavljevic
,
A.
Radenovic
,
J.
Brivio
,
V.
Giacometti
, and
A.
Kis
,
Nat. Nanotechnol.
6
,
147
(
2011
).
15.
A.
Splendiani
,
L.
Sun
,
Y.
Zhang
,
T.
Li
,
J.
Kim
,
C.-Y.
Chim
,
G.
Galli
, and
F.
Wang
,
Nano Lett.
10
,
1271
(
2010
).
16.
H.
Liu
,
A. T.
Neal
,
Z.
Zhu
,
Z.
Luo
,
X.
Xu
,
D.
Tománek
, and
P. D.
Ye
,
ACS Nano
8
,
4033
(
2014
).
17.
L.
Li
,
Y.
Yu
,
G. J.
Ye
,
Q.
Ge
,
X.
Ou
,
H.
Wu
,
D.
Feng
,
X. H.
Chen
, and
Y.
Zhang
,
Nat. Nanotechnol.
9
,
372
(
2014
).
18.
S. P.
Koenig
,
R. A.
Doganov
,
H.
Schmidt
,
A.
Castro Neto
, and
B.
Özyilmaz
,
Appl. Phys. Lett.
104
,
103106
(
2014
).
19.
F.
Xia
,
H.
Wang
, and
Y.
Jia
,
Nat. Commun.
5
,
4458
(
2014
).
20.
D. A.
Bandurin
,
A. V.
Tyurnina
,
L. Y.
Geliang
,
A.
Mishchenko
,
V.
Zólyomi
,
S. V.
Morozov
,
R. K.
Kumar
,
R. V.
Gorbachev
,
Z. R.
Kudrynskyi
,
S.
Pezzini
 et al,
Nat. Nanotechnol.
12
,
223
(
2017
).
21.
B.
Huang
,
G.
Clark
,
E.
Navarro-Moratalla
,
D. R.
Klein
,
R.
Cheng
,
K. L.
Seyler
,
D.
Zhong
,
E.
Schmidgall
,
M. A.
McGuire
,
D. H.
Cobden
 et al,
Nature
546
,
270
(
2017
).
22.
C.
Gong
,
L.
Li
,
Z.
Li
,
H.
Ji
,
A.
Stern
,
Y.
Xia
,
T.
Cao
,
W.
Bao
,
C.
Wang
,
Y.
Wang
 et al,
Nature
546
,
265
(
2017
).
23.
M.
Bonilla
,
S.
Kolekar
,
Y.
Ma
,
H. C.
Diaz
,
V.
Kalappattil
,
R.
Das
,
T.
Eggers
,
H. R.
Gutierrez
,
M.-H.
Phan
, and
M.
Batzill
,
Nat. Nanotechnol.
13
,
289
(
2018
).
24.
Y.
Deng
,
Y.
Yu
,
Y.
Song
,
J.
Zhang
,
N. Z.
Wang
,
Z.
Sun
,
Y.
Yi
,
Y. Z.
Wu
,
S.
Wu
,
J.
Zhu
 et al,
Nature
563
,
94
(
2018
).
25.
Q.
Wu
,
Y. S.
Ang
,
L.
Cao
, and
L. K.
Ang
,
Appl. Phys. Lett.
115
,
083105
(
2019
).
26.
Y. P.
Feng
,
L.
Shen
,
M.
Yang
,
A.
Wang
,
M.
Zeng
,
Q.
Wu
,
S.
Chintalapati
, and
C.-R.
Chang
,
WIREs Comput. Mol. Sci.
7
,
e1313
(
2017
).
27.
L.
Zhang
,
J.
Zhou
,
H.
Li
,
L.
Shen
, and
Y. P.
Feng
,
Appl. Phys. Rev.
8
,
021308
(
2021
).
28.
F.
Li
,
B.
Yang
,
Y.
Zhu
,
X.
Han
, and
Y.
Yan
,
Appl. Phys. Lett.
117
,
022412
(
2020
).
29.
P.
Zhao
,
J.
Li
,
H.
Jin
,
L.
Yu
,
B.
Huang
, and
D.
Ying
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
20
,
10286
(
2018
).
30.
Y.-L.
Hong
,
Z.
Liu
,
L.
Wang
,
T.
Zhou
,
W.
Ma
,
C.
Xu
,
S.
Feng
,
L.
Chen
,
M.-L.
Chen
,
D.-M.
Sun
 et al,
Science
369
,
670
(
2020
).
31.
K. S.
Novoselov
,
Natl. Sci. Rev.
7
,
1842
(
2020
).
32.
S.
Li
,
W.
Wu
,
X.
Feng
,
S.
Guan
,
W.
Feng
,
Y.
Yao
, and
S. A.
Yang
,
Phys. Rev. B
102
,
235435
(
2020
).
33.
S.-D.
Guo
,
W.-Q.
Mu
,
Y.-T.
Zhu
, and
X.-Q.
Chen
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
22
,
28359
(
2020
).
34.
S.-D.
Guo
,
Y.-T.
Zhu
,
W.-Q.
Mu
, and
W.-C.
Ren
,
Europhys. Lett.
132
,
57002
(
2020
).
35.
B.
Mortazavi
,
B.
Javvaji
,
F.
Shojaei
,
T.
Rabczuk
,
A. V.
Shapeev
, and
X.
Zhuang
,
Nano Energy
82
,
105716
(
2021
).
36.
L.
Cao
,
G.
Zhou
,
Q.
Wang
,
L.
Ang
, and
Y. S.
Ang
,
Appl. Phys. Lett.
118
,
013106
(
2021
).
37.
Q.
Wu
,
L.
Cao
,
Y. S.
Ang
, and
L. K.
Ang
,
Appl. Phys. Lett.
118
,
113102
(
2021
).
38.
A.
Bafekry
,
M.
Faraji
,
D.
Hoat
,
M.
Shahrokhi
,
M.
Fadlallah
,
F.
Shojaei
,
S.
Feghhi
,
M.
Ghergherehchi
, and
D.
Gogova
,
J. Phys. D
54
,
155303
(
2021
).
39.
C.
Yang
,
Z.
Song
,
X.
Sun
, and
J.
Lu
,
Phys. Rev. B
103
,
035308
(
2021
).
40.
J.
Yu
,
J.
Zhou
,
X.
Wan
, and
Q.
Li
,
New J. Phys.
23
,
033005
(
2021
).
41.
Q.
Wang
,
L.
Cao
,
S.-J.
Liang
,
W.
Wu
,
G.
Wang
,
C. H.
Lee
,
W. L.
Ong
,
H. Y.
Yang
,
L. K.
Ang
,
S. A.
Yang
 et al,
npj 2D Mater. Appl.
5
,
71
(
2021
).
42.
M. R. K.
Akanda
and
R. K.
Lake
,
Appl. Phys. Lett.
119
,
052402
(
2021
).
43.
L.
Wang
,
Y.
Shi
,
M.
Liu
,
A.
Zhang
,
Y.-L.
Hong
,
R.
Li
,
Q.
Gao
,
M.
Chen
,
W.
Ren
,
H.-M.
Cheng
 et al,
Nat. Commun.
12
,
2361
(
2021
).
44.
Q.
Cui
,
Y.
Zhu
,
J.
Liang
,
P.
Cui
, and
H.
Yang
,
Phys. Rev. B
103
,
085421
(
2021
).
45.
G.
Kresse
and
J.
Furthmüller
,
Phys. Rev. B
54
,
11169
(
1996
).
46.
G.
Kresse
and
J.
Furthmüller
,
Comput. Mater. Sci.
6
,
15–50
(
1996
).
47.
H. J.
Monkhorst
and
J. D.
Pack
,
Phys. Rev. B
13
,
5188
(
1976
).
48.
J. P.
Perdew
,
K.
Burke
, and
M.
Ernzerhof
,
Phys. Rev. Lett.
77
,
3865
(
1996
).
49.
S.
Grimme
,
J.
Antony
,
S.
Ehrlich
, and
H.
Krieg
,
J. Chem. Phys.
132
,
154104
(
2010
).
50.
S.
Grimme
,
S.
Ehrlich
, and
L.
Goerigk
,
J. Comput. Chem.
32
,
1456
(
2011
).
51.
S.
Smidstrup
,
T.
Markussen
,
P.
Vancraeyveld
,
J.
Wellendorff
,
J.
Schneider
,
T.
Gunst
,
B.
Verstichel
,
D.
Stradi
,
P. A.
Khomyakov
,
U. G.
Vej-Hansen
 et al,
J. Phys.: Condens. Matter
32
,
015901
(
2020
).
52.
Q.
Wu
,
L.
Shen
,
M.
Yang
,
J.
Zhou
,
J.
Chen
, and
Y. P.
Feng
,
Phys. Rev. Mater.
1
,
074409
(
2017
).
53.
Y.
Li
,
J.
Wang
,
G.
Yang
, and
Y.
Liu
,
Ann. Phys.
533
,
2100273
(
2021
).
You do not currently have access to this content.