过去几十年，电子工程领域持续推动存储器件向更小尺寸与断电保持信息的方向发展。自旋电子学被视为潜在的非易失性存储路径之一，其核心是利用电子自旋这一固有角动量属性来存储与处理信息。

马里兰大学及其他机构研究人员近日提出一种基于纳米结构的新型自旋电子器件方案，选用同时具备铁磁性（永久且可切换的磁有序）与铁电性（永久且可切换的电极化）的材料体系。相关成果发表于《自然纳米技术》，研究团队称该器件能够在四个稳定电阻状态之间切换，可作为多态存储器使用。

研究人员的纳米工程设计将两类已被广泛研究的信息存储结构结合：磁性隧道结（MTJ）与铁电隧道结（FTJ）。其中，MTJ由两层磁性薄膜与中间绝缘薄膜构成；FTJ则由两层金属电极与中间薄铁电膜构成。论文资深作者程功在接受Phys.org采访时表示，当将两种不同的铁磁电极以一层薄铁电材料隔开并组合时，可形成一种新器件——多铁隧道结（MFTJ）。

程功介绍，该器件之所以可实现“四态”，源于两类效应的叠加：当两电极磁化方向平行或反平行时，隧道磁阻效应（TMR）对应两种不同隧道电阻；当铁电极化在相反方向间切换时，隧道电阻效应（TER）同样对应两种不同隧道电阻。通过外加电场与磁场，可在这些状态之间实现切换。

研究团队指出，尽管MFTJ具备在四种可区分电阻状态间切换的潜力，但采用外延生长精确堆叠氧化物材料并构建异质结构仍存在制造难度，原因在于底层材料需要在原子层面高度匹配并保持化学兼容。研究人员称，若相邻层原子排列不够精确、材料间发生化学反应，或出现微小缺陷与原子扩散，都可能削弱器件性能。

为缓解上述限制，团队采用范德华（vdW）层状材料进行组装。程功表示，vdW层的组装不受晶格常数匹配的严格约束，使得器件各组成层在材料类型、厚度以及层间滑移与扭转角度等方面具备更高的可定制性。

在具体实现上，研究人员使用Fe3GeTe2、Fe5GeTe2或Fe3GaTe2作为铁磁电极材料，并以CuInP2S6或In2Se3作为铁电间隔层（薄绝缘屏障）。团队并未通过化学生长一次性制备全部层状结构，而是通过机械剥离获得极薄晶体层，再逐层堆叠完成器件组装。

研究团队称，其实验首次展示了基于二维vdW晶体的MFTJ器件，并验证该器件呈现预测的四种可切换、非易失性电阻状态。这四种状态分别对应两磁层磁化平行或反平行（TMR），以及铁电间隔层极化向上或向下（TER）的不同组合。

研究人员表示，目前已构建由三层vdW材料（两层磁性材料与一层铁电材料）组成的MFTJ，并通过切换各层磁化和/或极化演示四态工作方式。团队同时指出，通过替换任意一层材料，可对器件性能参数（如开关比与电流密度）进行调整。

程功补充称，后续研究计划将聚焦MFTJ中的基本磁电耦合及其对新物理现象与器件性能的影响。

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