[論文レビュー] Effect of interface states on spin-dependent tunneling in Fe/MgO/Fe tunnel junctions

K. D. Belashchenko, Julian Velev+1 more|Insecta mundi|May 13, 2005

Magnetic properties of thin films参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、Fe/MgO/Fe(001)トンネル接合における界面共鳴状態が、薄いMgOバリアでTMRが低下する原因であると特定した。Fe/MgO界面に単原子層のAgを導入することで、スピン反対側状態を介した共鳴トンネルが抑制され、薄いバリアにおいてTMRが約130%から約930%に向上し、高TMR・低抵抗の磁気トンネル接合の実用的ルートを提供する。

ABSTRACT

The electronic structure and spin-dependent tunneling in epitaxial Fe/MgO/Fe(001) tunnel junctions are studied using first-principles calculations. For small MgO barrier thickness the minority-spin resonant bands at the two interfaces make a significant contribution to the tunneling conductance for the antiparallel magnetization, whereas these bands are, in practice, mismatched by disorder and/or small applied bias for the parallel magnetization. This explains the experimentally observed decrease in tunneling magnetoresistance (TMR) for thin MgO barriers. We predict that a monolayer of Ag epitaxially deposited at the interface between Fe and MgO suppresses tunneling through the interface band and may thus be used to enhance the TMR for thin barriers.

研究の動機と目的

• エピタキシャルFe/MgO/Fe(001)トンネル接合におけるMgOバリア厚さが小さい場合に実験的に観測されたトンネル磁気抵抗（TMR）の低下の原因を解明すること。
• スピン依存トンネルにおける少数スピン界面共鳴状態の役割と、平行および反平行磁化配置における電導度に与える影響を調査すること。
• Fe/MgO界面にエピタキシャルAg単原子層を導入する新しい界面工学戦略を提案・評価し、薄いバリアにおける共鳴トンネルの抑制とTMRの向上を図ること。
• Ag中間層が同時にTMRを向上させるとともに、フェロ磁性電極の酸化から保護し、デバイスの安定性を向上させられることを実証すること。

提案手法

• スピン依存トンネル電導度およびTMRをバリア厚さの関数として計算するため、原子球近似（ASA）と局所密度近似（LDA）を用いたタイトビンディング線形ムフィン・トイン軌道（TB-LMTO）法による第一原理計算。
• バンド構造および界面状態の記述の正確性を保証するため、フル・ポテンシャルLMTO（FP-LMTO）計算との比較によるASA結果の妥当性検証。
• 主層グリーン関数法を用いて、スピン分解トンネル電導度およびTMRをバリア厚さの関数として計算。
• 擬ポテンシャル平面波法と一般化勾配近似（GGA）を用いたVASPコードによる、Fe/Ag/MgO/Ag/Fe接合の構造的緩和。
• 界面共鳴状態の可視化とフェルミ準位付近の分散を把握するため、k∥-分解局所状態密度（DOS）の分析。
• Ag中間層有無の接合における電導度およびTMRを比較し、界面状態抑制の影響を分離。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 理論的予測とは対照的に、MgOバリア厚さが2 nm未満に減少する際、なぜFe/MgO/Fe(001)トンネル接合におけるトンネル磁気抵抗（TMR）が低下するのか？
• RQ2 Fe/MgO界面における少数スピン状態の界面共鳴状態が、反平行および平行磁化配置におけるスピン依存トンネルにどのように影響を与えるか？
• RQ3 多数スピン透過性を損なわずに、これらの共鳴状態を介したトンネル電導度を抑制することは可能か？これにより、薄いバリアにおけるTMRが向上するか？
• RQ4 Fe/MgO界面に単原子層のAgを導入することで、電子構造がどの程度変化し、共鳴界面状態が抑制されるか？
• RQ5 TMR向上と酸化からの保護の両面から見ると、提案されたAg中間層戦略はデバイス応用において実現可能か？

主な発見

• 界面共鳴状態、特に表面ブリユアンゾーンのΓ点付近の少数スピン状態が、反平行配置における電導度および平行配置における少数スピン電導度に顕著に寄与している。
• これらの共鳴状態は、二つのFe/MgO界面におけるポテンシャル不整合に極めて敏感であり、不純物や外部バイアスによってその位相整合性が破れ、薄いバリアでTMRが急激に低下する。
• これらの共鳴状態の存在が、理論的予測とは対照的に、MgO厚さの減少に伴いTMRが低下する実験的観測を説明する。
• Fe/MgO界面に単原子層のAgを導入することで、Fe状態と混合し、界面バンドの分散性が向上し、フェルミ準位における状態密度が低下することで、共鳴トンネルが抑制される。
• その結果、薄いMgOバリア（4 ML）においてTMRが約130%から約930%に顕著に向上する。これは、反平行電導度の抑制が維持されつつ、多数スピン透過性が保たれるためである。
• Ag中間層はフェロ磁性電極の酸化からも保護し、デバイスの安定性を向上させる。Fe、Ag、MgO間の格子整合性により、実用的実装が可能である。