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.
References
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
).© 2022 Author(s). Published under an exclusive license by AIP Publishing.
2022
Author(s)
You do not currently have access to this content.
