磁性隧道結(jié)（MTJ）,由兩層磁性金屬電極間隔中間絕緣體勢(shì)壘組成的三明治異質(zhì)結(jié),在自旋電子學(xué)和信息技術(shù)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用,更是新一代高密度磁記錄磁讀頭和磁隨機(jī)存儲(chǔ)器（MRAM）的核心元器件。其中,MgO勢(shì)壘MTJ因?yàn)榫哂蟹浅８叩乃泶┐烹娮柚担═MR）,成為了MRAM應(yīng)用中的關(guān)鍵存儲(chǔ)單元材料。同時(shí),為了獲得MRAM的長(zhǎng)壽命、低功耗、高密度、高速度等多方面優(yōu)越性能,人們對(duì)MTJ的磁各向異性提出了許多要求,包括具有垂直磁各向異性（PMA）、高的磁各向異性能（MAE）、高的電壓調(diào)控磁各向異性（VCMA）系數(shù)等等。本論文通過(guò)第一性原理計(jì)算,研究了MgO勢(shì)壘MTJ中的磁各向異性及其電壓調(diào)控。具體的工作內(nèi)容如下:（1）研究了HfO₂插層對(duì)Fe/HfO₂/MgO隧道結(jié)的界面磁晶各向異性能的影響。我們計(jì)算發(fā)現(xiàn)HfO₂插層使隧道結(jié)的Fe-O鍵長(zhǎng)從2.20?減小到了1.77?,而Fe-O鍵雜化對(duì)Fe|MgO界面PMA有重要的影響。通過(guò)對(duì)比計(jì)算試驗(yàn)得知,減小的Fe-O鍵長(zhǎng)使距離Fe|MgO界面第二近鄰、第三近鄰的Fe原子層的電子軌道進(jìn)一步重分布,... 

【文章來(lái)源】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院物理研究所)北京市

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【部分圖文】：

磁性隧道結(jié)結(jié)構(gòu)示意圖

MgO勢(shì)壘隧道結(jié)磁各向異性及其電壓調(diào)控第一性原理研究21.1.1磁性隧道結(jié)與隧穿磁電阻效應(yīng)研究進(jìn)展一直以來(lái)，MTJ的發(fā)展與人們對(duì)TMR效應(yīng)的理論認(rèn)識(shí)是密切相關(guān)的。TMR效應(yīng)是自旋電子學(xué)領(lǐng)域繼1988年發(fā)現(xiàn)的巨磁阻效應(yīng)[13-14]之后的又一個(gè)重要的研究課題。但是早在1975年，M.Julliere就在Fe/Ge/Co這個(gè)MTJ中實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)了TMR效應(yīng)并提出了著名的Julliere模型進(jìn)行解釋[15]。如圖1.2[15]，在4.2K低溫下，F(xiàn)e/Ge/Co的TMR值在零偏壓極限下可達(dá)14%，但在毫電子伏量級(jí)的低偏壓下便迅速減小至零。Julliere模型是一個(gè)唯象的理論，它假設(shè)所有電子隧穿勢(shì)壘的幾率是一樣的，并且鐵磁材料中的自旋向上和自旋向下的兩種輸運(yùn)通道互不影響。這樣電導(dǎo)的大小就只正比于導(dǎo)電的輸運(yùn)通道數(shù)。如圖1.3[16]，在費(fèi)米面上，假設(shè)一個(gè)電極的自旋向上的態(tài)密度為N↑1，自旋向下的為N↓1，另一個(gè)電極的則分別設(shè)為N↑2和N↓2。當(dāng)磁矩平行排列時(shí)，輸運(yùn)通道數(shù)為N↑1N↑2+N↓1N↓2。當(dāng)磁矩反平行排列時(shí)，輸運(yùn)通道數(shù)為N↑1N↓2+N↓1N↑2。由此計(jì)算TMR可得：21211PPPPTMR(1-2)其中P1為電極的自旋極化率，定義為：11111NNNNP(1-3)P2同理。根據(jù)這個(gè)模型，提高TMR值的關(guān)鍵在于提高電極材料的自旋極化率，而與絕緣體勢(shì)壘材料無(wú)關(guān)。圖1.2Fe/Ge/Co磁性隧道結(jié)中TMR值隨偏壓的變化。引自文獻(xiàn)[15]。Figure1.2TheTMRinFe/Ge/Cojunctionasafunctionoftheappliedvoltage[15].

第1章緒論3圖1.3Julliere模型示意圖。左圖與右圖分別描述磁性電極磁矩平行與反平行排列時(shí)的隧穿過(guò)程。引自文獻(xiàn)[16]。Figure1.3JullieremodelforTMReffect.Theleft(right)partrepresentstheelectronstunnelingwithparallel(antiparallel)magneticstates[16].直到1995年，隨著納米材料生長(zhǎng)工藝的提高，T.Miyazaki等人利用電子束蒸發(fā)技術(shù)制備了Fe/Al2O3/Fe隧道結(jié)并在室溫下測(cè)量到了18%的TMR值[17]。同年，J.S.Moodera等人在CoFe/Al2O3/Co隧道結(jié)中獲得室溫下11.8%的TMR值，而4.2K低溫下可高達(dá)24%[18]。利用Julliere模型，并采用實(shí)驗(yàn)測(cè)量的Fe、Co自旋極化率值分別為40%和34%，可計(jì)算得Fe/Al2O3/Co的TMR值為24%。這與J.S.Moodera等人測(cè)到的低溫實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常接近，說(shuō)明Julliere模型能非常適用于解釋這種基于非晶材料Al2O3勢(shì)壘MTJ的TMR效應(yīng)。因此，只需要不斷地優(yōu)化電極材料的自旋極化率從而就能提高TMR值。2007年，韓秀峰課題組在CoFeB作為電極非晶AlO作為勢(shì)壘的MTJ中測(cè)到了高達(dá)81%的TMR值[19]。這個(gè)研究方向的極致是采用自旋極化率為100%的半金屬(halfmetal)材料作為電極，如Heusler合金等[20-22]。1999年，J.M.MacLaren等人引入基于密度泛函理論(densityfunctionaltheory,DFT)的LKKR(layerKorringa-Kohn-Rostokertechnique)方法對(duì)Fe/ZnSe/Fe隧道結(jié)進(jìn)行了輸運(yùn)性質(zhì)的研究[23]。此后，從量子力學(xué)出發(fā)的第一性原理計(jì)算為探究TMR效應(yīng)背后的深刻物理提供了豐富有力的手段。2001年，W.Bulter、張曉光等人采用LKKR方法計(jì)算預(yù)測(cè)了Fe/MgO/Fe隧道結(jié)的高TMR值[24]。更重要的是，他們發(fā)現(xiàn)MgO勢(shì)壘中Δ1對(duì)稱性電子的選擇過(guò)濾性對(duì)TMR效應(yīng)起到了關(guān)鍵的作用，這說(shuō)明只考慮電極自旋極化率的Julliere模型是不夠的。同年，J.Mathon等


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