[論文レビュー] High magnetoresistance of hexagonal boron nitride-graphene heterostructure-based MTJ through excited-electron transmission

Halimah Harfah, Yusuf Wicaksono+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 18, 2021

Graphene research and applications参考文献 50被引用数 8

ひとこと要約

本研究は、0.34 eV（フェルミエネルギー畝上）で記錦の高いトンネル磁気抵抗（TMR）比約1200%を達成する、ヘキサゴナル窒化ホウ素-グラフェン-hBN（hBN-Gr-hBN）ヘテロ構造を用いた磁気トンネル接合（MTJ）を提案する。高いTMRは、ニッケル/hBN界面におけるd^z²-軌道表面状態と窒素のp^z-軌道との混合に起因し、グラフェンの近接効果により界面混合が強化され、透過損失が抑制される。

ABSTRACT

This work presents an ab-initio study of a few-layers hexagonal boron nitride (hBN) and hBN-graphene heterostructure sandwiched between Ni(111) layers. The aim of this study is to understand the electron transmission process through the interface. Spin-polarized density functional theory calculations and transmission probability calculations were conducted on Ni(111)/$n$hBN/Ni(111) with $n$ = 2, 3, 4, and 5 as well as on Ni(111)/hBN-Gr-hBN/Ni(111). Slabs with magnetic alignment in an anti-parallel configuration (APC) and parallel configuration (PC) were considered. The pd-hybridizations at both the upper and lower interfaces between the Ni slabs and hBN were found to stabilize the system. The Ni/nhBN/Ni magnetic tunnel junction (MTJ) was found to exhibit a high tunneling magnetoresistance (TMR) ratio at ~0.28 eV for $n$ = 2 and 0.34 eV for $n$ > 2, which are slightly higher than the Fermi energy. The observed shifting of this high TMR ratio originates from the transmission of electrons through the surface states of the $d_{z^2}$-orbital of Ni atoms at interfaces which are hybridized with the $p_z$-orbital of N atoms. In the case of $n$ > 2, the proximity effect causes an evanescent wave, contributing to decreasing transmission probability but increasing the TMR ratio. However, TMR ratio, as well as transmission probability, was found to be increased, by replacing the unhybridized hBN layer of the Ni/3hBN/Ni MTJ with graphene, thus becoming Ni/hBN-Gr-hBN/Ni. A TMR ratio as high as ~1200% was observed at an energy of 0.34 eV, which is higher than the Fermi energy. Furthermore, a design is proposed for a device based on a new reading mechanism using the high TMR observed just above the Fermi energy level.

研究の動機と目的

• ab initio手法を用いて、Ni(111)/nhBN/NiおよびNi/hBN-Gr-hBN/Ni磁気トンネル接合（MTJ）における電子透過メカニズムを調査すること。
• hBNベースのMTJでフェルミエネルギーより高いエネルギーで観測された高いトンネル磁気抵抗（TMR）比の起源を理解すること。
• hBNバリアにグラフェンを組み込むことで、界面混合および近接効果がTMRをどのように向上させるかを調査すること。
• フェルミエネルギー畝上の高いTMRが観測されたことに基づき、将来のスピントロニクス応用を想定した新規デバイスメカニズムを提案すること。

提案手法

• Ni(111)/nhBN/NiおよびNi/hBN-Gr-hBN/Niヘテロ構造（n = 2, 3, 4, 5層のhBN）の電子的構造をモデル化するため、スピン極性密度汎関数理論（SP-DFT）を用いた。
• Landauer- Büttiker形式を用いて透過確率を計算し、平行（PC）および反平行（APC）磁気配置におけるTMR比を評価した。
• Ni/hBN界面におけるNiのd^z²軌道とNのp^z軌道の軌道混合を分析し、特定エネルギーでの透過が強化される原因を同定した。
• 多層hBN系における近接効果の役割、特に準位減衰波の形成とその透過への影響を調査した。
• 純粋なhBNバリア（Ni/nhBN/Ni）とグラフェンドーピングhBNバリア（Ni/hBN-Gr-hBN/Ni）の間で透過およびTMRを比較し、グラフェンの機能的役割を分離した。
• van der Waals相互作用および電子的性質を正確に記述するため、DFT+D3補正とPBE関数を用いたSIESTAコードを用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜNi/nhBN/Ni MTJでは、n=2のとき約0.28 eV、n>2のとき約0.34 eVでTMR比が最大となり、フェルミエネルギーでは観測されないのか？
• RQ2 Ni/hBN界面におけるd^z²-p^z混合が、エネルギーが上昇した領域で高いTMRを実現するにあたり果たす役割は何か？
• RQ3 hBNバリアにグラフェン層を組み込む（hBN-Gr-hBNを形成）ことで、透過確率およびTMR比にどのような影響を与えるか？
• RQ4 Ni/hBN-Gr-hBN/Ni系において観測されたTMR増幅の背後にあるメカニズムは何か？
• RQ5 フェルミエネルギー畝上の高いTMRは、スピントロニクスデバイスにおける新しい読み取りメカニズムを可能にするか？

主な発見

• Ni/nhBN/Ni MTJでは、n=2のとき約0.28 eV、n>2のとき約0.34 eVで高いTMR比を示し、いずれもフェルミエネルギー畝上に位置しており、フェルミエネルギー以外でのTMR最大値を示している。
• 0.34 eVでの高いTMRは、界面におけるNiのd^z²軌道とNのp^z軌道との混合によって形成される表面状態を通じた電子透過に起因する。
• n>2のとき、近接効果により減衰波が誘発され、透過確率は低下するが、スピンフィルタリングが強化され、TMR比が上昇する。
• Ni/3hBN/Niの中央未混合hBN層をグラフェンに置き換える（Ni/hBN-Gr-hBN/Niを形成）ことで、透過確率とTMR比の両方が向上する。
• Ni/hBN-Gr-hBN/Niヘテロ構造は、0.34 eVでTMR比が約1200%に達し、フェルミエネルギーを大幅に上回り、従来のMTJを凌駕する。
• グラフェン層は、Niのd^z²軌道とhBN中のB原子のp^z軌道との間の近接効果を強化し、界面混合を強化し、高いTMRを実現可能にする。