拥有巨磁阻(MR)的磁性隧道结(MTJs)的研究对于磁随机存储器(MRAM)的发展非常重要。人们研究了不定形Al2O3势垒的MTJ,但这些器件只表现出了有限的MR,而且由于氧化物的非晶结构无法进行模拟研究。以MgO作为势垒的完全晶体型MTJ目前成为研究和可能应用的良好候选。研究者们使用第一原理和紧束缚方法研究了“Fe-MgO-Fe”器件的输运性质,预言了超过1000%的隧穿磁阻(TMRs)。

      然而,最上面的原子层看起来似乎在MgO生长时发生了氧化,并且在这种器件底部Fe-MgO的界面很可能存在着一层FeO层。这种FeO层对器件的电子性质影响很大,人们预计“Fe-FeO-MgO-Fe”器件的TMR比“Fe-MgO-Fe”的小很多。

      为了避免Fe表面的氧化,可以假设在生长MgO之前在Fe衬底的表面生长一薄层金。在MgO-Fe界面的顶端包含一层金原子来保持体系对称性,这种“Fe-Au-MgO-Au-Fe”器件预计将具有高于1000%TMR,因此是构建未来MRAM器件的一个相当有趣的系统。

 

 5mer

 

(1)Fe-MgO-FeFe-FeO-MgO-Fe的几何结构。Fe原子用天蓝色表示,Mg原子用紫色表示,O原子用红色表示。

(2)多自旋(a)和少自旋(b)电子的透射系数谱

  

       位于费米能级处的多自旋和少自旋的透射系数谱在“Fe-MgO-Fe”,“Fe-FeO-MgO-Fe”和“Fe-Au-MgO-Au-Fe”三个系统中相似。多自旋电子透射通过波矢在(kx,ky)=(0,0)附近的布洛赫态发生,因此多自旋电子的输运是通过简单的势垒隧穿发生的。少自旋电子的透射谱线在二维布里渊区内几乎表现出零透射,除了在一些特定的波矢值处存在很尖锐的峰。三种系统的特定值不同,但总体的“尖峰透射”是类似的。少自旋输运是通过复杂的共振隧穿发生的。

 

       对“Fe-MgO-Fe”,“Fe-FeO-MgO-Fe”和“Fe-Au-MgO-Au-Fe”三个系统中多自旋电导(Gmajority)和少自旋电导(Gminority)的比较见下表。结果显示,“Fe-MgO-Fe”系统中多自旋电导远大于少自旋电导,而对于后两种系统,多自旋电导只略大于少自旋电导。

 

 5.3

 

 

 

 

 

                                          表:电导的单位是μS, ΔG=(Gmajority-Gminority )/ Gminority

 

 Ref:

J. Mathon, A.Umerski, Phys. Rev. B 71,220402(2007)

 

M. Stilling, et al, J. Computer-Aided Mater. Des 14,141(2007)

 

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