磁性隧道结（MTJ）是自旋电子技术的核心元件，凭借其高可扩展性与优异耐久性已被广泛应用于读头、磁性传感器及非易失性存储器等领域。然而，传统MTJ面临的两大挑战：不断提升的存储密度需求与持续微缩器件尺寸，共同加剧界面晶格失配与缺陷诱导自旋散射的影响，导致输运性能显著劣化。二维范德华材料因其原子级平整表面与弱层间相互作用为突破上述局限提供了可行路径，其本征特性有助于摆脱晶格匹配限制，构建具有原子级锐利界面的高质量异质结，为高性能自旋电子器件奠定基础。然而，现有二维磁性材料体系仍比较稀缺，且普遍存在居里温度偏低、环境稳定性差等问题，严重限制了其在高性能自旋电子器件中的实际应用。近年来，原子插层技术崭露头角，成为调控二维体系电子与磁学性质的有效策略。该技术通过精确调控层间电子耦合与自旋构型，为二维材料物性工程提供了强大手段。

在此背景下，许小红教授团队提出了一种基于插层策略的全二维磁性隧道结构建方法：通过将磁性3d过渡金属原子（Mn、V）插入双层石墨烯形成磁性电极，并与多层h-BN势垒层耦合，构建Mn-Gr/n·h-BN/Mn-Gr与V-Gr/n·h-BN/V-Gr磁性隧道结。该构型可稳定插层原子的磁矩，抑制金属原子团聚，并实现高效自旋过滤。基于第一性原理计算结合非平衡格林函数模拟表明，其输运特性对h-BN势垒层厚度高度敏感，TMR呈现显著的奇偶振荡现象：在单层h‑BN势垒的Mn‑Gr体系中获得了4.35×10⁸%的巨TMR，而三层h‑BN势垒的V‑Gr体系TMR达1.86×10⁵%。此外还发现，±3%双轴拉伸应变可进一步将Mn‑Gr与V‑Gr体系的TMR分别提升至10⁹%与10⁷%量级。同时观测到完美自旋过滤与负微分电阻效应，凸显了过渡金属插层工程在可扩展高性能全二维自旋器件中的应用潜力。并且基于GGA+U的补充计算表明，强在位库仑相互作用在保持奇偶输运特性的同时，可进一步提升平衡态TMR值，证实了预测自旋性能的鲁棒性，为发展下一代抗关联干扰的二维自旋电子与存储器件奠定了理论基础。

相关成果以《Giant Tunneling Magnetoresistance in Mn- and V-Intercalated Graphene/h-BN Based van der Waals Magnetic Tunnel Junctions》为题，于2025年10月3日发表在《Advanced Functional Materials》（SCI一区TOP期刊，影响因子19）。我院严志副教授为论文的第一作者，许小红教授为通讯作者，山西师范大学为论文的唯一完成单位。

全文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202511719

Mn-Gr/n·h-BN/Mn-Gr与V-Gr/n·h-BN/V-Gr vdW-MTJ器件模型及石墨烯插层与吸附机制的对比示意图