MgO势垒隧道结磁各向异性及其电压调控第一性原理研究
发布时间：2021-04-05 10:45
磁性隧道结（MTJ）,由两层磁性金属电极间隔中间绝缘体势垒组成的三明治异质结,在自旋电子学和信息技术领域具有广泛的应用,更是新一代高密度磁记录磁读头和磁随机存储器（MRAM）的核心元器件。其中,MgO势垒MTJ因为具有非常高的隧穿磁电阻值（TMR）,成为了MRAM应用中的关键存储单元材料。同时,为了获得MRAM的长寿命、低功耗、高密度、高速度等多方面优越性能,人们对MTJ的磁各向异性提出了许多要求,包括具有垂直磁各向异性（PMA）、高的磁各向异性能（MAE）、高的电压调控磁各向异性（VCMA）系数等等。本论文通过第一性原理计算,研究了MgO势垒MTJ中的磁各向异性及其电压调控。具体的工作内容如下:（1）研究了HfO2插层对Fe/HfO2/MgO隧道结的界面磁晶各向异性能的影响。我们计算发现HfO2插层使隧道结的Fe-O键长从2.20?减小到了1.77?,而Fe-O键杂化对Fe|MgO界面PMA有重要的影响。通过对比计算试验得知,减小的Fe-O键长使距离Fe|MgO界面第二近邻、第三近邻的Fe原子层的电子轨道进一步重分布,...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院物理研究所)北京市
【文章页数】：115 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
磁性隧道结结构示意图
MgO势垒隧道结磁各向异性及其电压调控第一性原理研究21.1.1磁性隧道结与隧穿磁电阻效应研究进展一直以来，MTJ的发展与人们对TMR效应的理论认识是密切相关的。TMR效应是自旋电子学领域继1988年发现的巨磁阻效应[13-14]之后的又一个重要的研究课题。但是早在1975年，M.Julliere就在Fe/Ge/Co这个MTJ中实验上发现了TMR效应并提出了著名的Julliere模型进行解释[15]。如图1.2[15]，在4.2K低温下，Fe/Ge/Co的TMR值在零偏压极限下可达14%，但在毫电子伏量级的低偏压下便迅速减小至零。Julliere模型是一个唯象的理论，它假设所有电子隧穿势垒的几率是一样的，并且铁磁材料中的自旋向上和自旋向下的两种输运通道互不影响。这样电导的大小就只正比于导电的输运通道数。如图1.3[16]，在费米面上，假设一个电极的自旋向上的态密度为N↑1，自旋向下的为N↓1，另一个电极的则分别设为N↑2和N↓2。当磁矩平行排列时，输运通道数为N↑1N↑2+N↓1N↓2。当磁矩反平行排列时，输运通道数为N↑1N↓2+N↓1N↑2。由此计算TMR可得：21211PPPPTMR(1-2)其中P1为电极的自旋极化率，定义为：11111NNNNP(1-3)P2同理。根据这个模型，提高TMR值的关键在于提高电极材料的自旋极化率，而与绝缘体势垒材料无关。图1.2Fe/Ge/Co磁性隧道结中TMR值随偏压的变化。引自文献[15]。Figure1.2TheTMRinFe/Ge/Cojunctionasafunctionoftheappliedvoltage[15].
第1章绪论3图1.3Julliere模型示意图。左图与右图分别描述磁性电极磁矩平行与反平行排列时的隧穿过程。引自文献[16]。Figure1.3JullieremodelforTMReffect.Theleft(right)partrepresentstheelectronstunnelingwithparallel(antiparallel)magneticstates[16].直到1995年，随着纳米材料生长工艺的提高，T.Miyazaki等人利用电子束蒸发技术制备了Fe/Al2O3/Fe隧道结并在室温下测量到了18%的TMR值[17]。同年，J.S.Moodera等人在CoFe/Al2O3/Co隧道结中获得室温下11.8%的TMR值，而4.2K低温下可高达24%[18]。利用Julliere模型，并采用实验测量的Fe、Co自旋极化率值分别为40%和34%，可计算得Fe/Al2O3/Co的TMR值为24%。这与J.S.Moodera等人测到的低温实验结果非常接近，说明Julliere模型能非常适用于解释这种基于非晶材料Al2O3势垒MTJ的TMR效应。因此，只需要不断地优化电极材料的自旋极化率从而就能提高TMR值。2007年，韩秀峰课题组在CoFeB作为电极非晶AlO作为势垒的MTJ中测到了高达81%的TMR值[19]。这个研究方向的极致是采用自旋极化率为100%的半金属(halfmetal)材料作为电极，如Heusler合金等[20-22]。1999年，J.M.MacLaren等人引入基于密度泛函理论(densityfunctionaltheory,DFT)的LKKR(layerKorringa-Kohn-Rostokertechnique)方法对Fe/ZnSe/Fe隧道结进行了输运性质的研究[23]。此后，从量子力学出发的第一性原理计算为探究TMR效应背后的深刻物理提供了丰富有力的手段。2001年，W.Bulter、张晓光等人采用LKKR方法计算预测了Fe/MgO/Fe隧道结的高TMR值[24]。更重要的是，他们发现MgO势垒中Δ1对称性电子的选择过滤性对TMR效应起到了关键的作用，这说明只考虑电极自旋极化率的Julliere模型是不够的。同年，J.Mathon等
本文编号：3119489
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院物理研究所)北京市
【文章页数】：115 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
磁性隧道结结构示意图
MgO势垒隧道结磁各向异性及其电压调控第一性原理研究21.1.1磁性隧道结与隧穿磁电阻效应研究进展一直以来，MTJ的发展与人们对TMR效应的理论认识是密切相关的。TMR效应是自旋电子学领域继1988年发现的巨磁阻效应[13-14]之后的又一个重要的研究课题。但是早在1975年，M.Julliere就在Fe/Ge/Co这个MTJ中实验上发现了TMR效应并提出了著名的Julliere模型进行解释[15]。如图1.2[15]，在4.2K低温下，Fe/Ge/Co的TMR值在零偏压极限下可达14%，但在毫电子伏量级的低偏压下便迅速减小至零。Julliere模型是一个唯象的理论，它假设所有电子隧穿势垒的几率是一样的，并且铁磁材料中的自旋向上和自旋向下的两种输运通道互不影响。这样电导的大小就只正比于导电的输运通道数。如图1.3[16]，在费米面上，假设一个电极的自旋向上的态密度为N↑1，自旋向下的为N↓1，另一个电极的则分别设为N↑2和N↓2。当磁矩平行排列时，输运通道数为N↑1N↑2+N↓1N↓2。当磁矩反平行排列时，输运通道数为N↑1N↓2+N↓1N↑2。由此计算TMR可得：21211PPPPTMR(1-2)其中P1为电极的自旋极化率，定义为：11111NNNNP(1-3)P2同理。根据这个模型，提高TMR值的关键在于提高电极材料的自旋极化率，而与绝缘体势垒材料无关。图1.2Fe/Ge/Co磁性隧道结中TMR值随偏压的变化。引自文献[15]。Figure1.2TheTMRinFe/Ge/Cojunctionasafunctionoftheappliedvoltage[15].
第1章绪论3图1.3Julliere模型示意图。左图与右图分别描述磁性电极磁矩平行与反平行排列时的隧穿过程。引自文献[16]。Figure1.3JullieremodelforTMReffect.Theleft(right)partrepresentstheelectronstunnelingwithparallel(antiparallel)magneticstates[16].直到1995年，随着纳米材料生长工艺的提高，T.Miyazaki等人利用电子束蒸发技术制备了Fe/Al2O3/Fe隧道结并在室温下测量到了18%的TMR值[17]。同年，J.S.Moodera等人在CoFe/Al2O3/Co隧道结中获得室温下11.8%的TMR值，而4.2K低温下可高达24%[18]。利用Julliere模型，并采用实验测量的Fe、Co自旋极化率值分别为40%和34%，可计算得Fe/Al2O3/Co的TMR值为24%。这与J.S.Moodera等人测到的低温实验结果非常接近，说明Julliere模型能非常适用于解释这种基于非晶材料Al2O3势垒MTJ的TMR效应。因此，只需要不断地优化电极材料的自旋极化率从而就能提高TMR值。2007年，韩秀峰课题组在CoFeB作为电极非晶AlO作为势垒的MTJ中测到了高达81%的TMR值[19]。这个研究方向的极致是采用自旋极化率为100%的半金属(halfmetal)材料作为电极，如Heusler合金等[20-22]。1999年，J.M.MacLaren等人引入基于密度泛函理论(densityfunctionaltheory,DFT)的LKKR(layerKorringa-Kohn-Rostokertechnique)方法对Fe/ZnSe/Fe隧道结进行了输运性质的研究[23]。此后，从量子力学出发的第一性原理计算为探究TMR效应背后的深刻物理提供了丰富有力的手段。2001年，W.Bulter、张晓光等人采用LKKR方法计算预测了Fe/MgO/Fe隧道结的高TMR值[24]。更重要的是，他们发现MgO势垒中Δ1对称性电子的选择过滤性对TMR效应起到了关键的作用，这说明只考虑电极自旋极化率的Julliere模型是不够的。同年，J.Mathon等
本文编号：3119489
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