[論文レビュー] IrCrMnZ (Z=Al, Ga, Si, Ge) Heusler alloys as electrode materials for MgO-based magnetic tunneling junctions: A first-principles study

Tufan Roy, Masahito Tsujikawa+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 19, 2021

Heusler alloys: electronic and magnetic properties参考文献 62被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、第一原理計算を用いて、IrCrMnZ（Z = Al, Ga）ヘウスラー合金がMgOベースの磁気トンネル接合（MTJ）用の高性能電極材料として提案されている。これらの材料は高いスピン偏極度を示し、MgO界面で半金属性を示し、非常に高いCurie温度（1300 K以上）を示す。これにより、一貫したトンネル磁気抵抗比が大きく、温度に依存せず安定して維持される。

ABSTRACT

We study IrCrMnZ (Z=Al, Ga, Si, Ge) systems using first-principles calculations from the perspective of their application as the electrode materials of MgO-based MTJs. These materials have highly spin-polarized conduction electrons with partially occupied $\Delta_1$ band, which is important for coherent tunneling in parallel magnetization configuration. The Curie temperatures of IrCrMnAl and IrCrMnGa are very high (above 1300 K) as predicted from mean-field-approximation. The stability of ordered phase against various antisite disorders has been investigated. We discuss here the effect of "spin-orbit-coupling" on the electronic structure around Fermi level. Further, we investigate the electronic structure of IrCrMnZ/MgO heterojunction along (001) direction. IrCrMnAl/MgO and IrCrMnGa/MgO maintain half-metallicity even at the MgO interface, with no interfacial states at/around Fermi level in the minority-spin channel. Large majority-spin conductance of IrCrMnAl/MgO/IrCrMnAl and IrCrMnGa/MgO/IrCrMnGa is reported from the calculation of ballistic spin-transport property for parallel magnetization configuration. We propose IrCrMnAl/MgO/IrCrMnAl and IrCrMnGa/MgO/IrCrMnGa as promising MTJs with a weaker temperature dependence of tunneling magnetoresistance ratio, owing to their very high Curie temperatures.

研究の動機と目的

• MgOベースのMTJに使用するための、高いCurie温度と安定した半金属性を示す新しいヘウスラー合金の特定。
• 高温でのトンネル磁気抵抗（TMR）の低下を是正するため、熱的安定性が向上した材料の同定。
• IrCrMnZ/MgOヘテロジャンクションの電子構造およびスピン輸送特性を(001)方向に評価。
• スピン軌道結合およびアンチサイト不純物の不規則性が、IrCrMnZ合金の電子的および磁気的性質に与える影響の調査。

提案手法

• VASPを用いた第一原理計算、GGA-PBE交換相関関数とPAW法を用いる。
• ダイナミカルおよび機械的安定性の評価のため、フォノン分散および弾性定数を計算。
• アンチサイト不純物のモデル化に、64原子スーパーセルを用いた特殊準ランダム構造（SQS）を採用。
• バルスティックスピン輸送特性は、SPR-KKRグリーン関数法を用いて計算。
• Liechtensteinの手法によりヘイゼンベルグ交換結合定数を評価し、平均場近似を用いてCurie温度を推定。
• 電子構造解析のため、(001)方向に沿ってIrCrMnZとMgO（それぞれ11層／5層）のヘテロ構造をモデル化し、kメッシュは最大16×16×2を用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IrCrMnZ（Z = Al, Ga, Si, Ge）ヘウスラー合金は、MgO界面で半金属性を維持できるか。これは高いTMRに不可欠である。
• RQ2 IrCrMnZ合金のCurie温度は何か。また、TMRの温度安定性にどのように影響するか。
• RQ3 スピン軌道結合は、IrCrMnZ/MgOヘテロジャンクションのフェルミ準位近傍の電子構造にどのように影響するか。
• RQ4 アンチサイト不純物の不規則性が、IrCrMnZ合金の半金属的性質および安定性に及ぼす影響はどの程度か。
• RQ5 平行磁化状態下でのIrCrMnZ/MgO/IrCrMnZ MTJにおけるバルスティックスピン電導度は何か。

主な発見

• IrCrMnAlおよびIrCrMnGaは、1300 Kを超えるCurie温度を示し、室温スピントロニクス応用において顕著な熱的安定性を示す。
• IrCrMnZ/MgOヘテロジャンクションは界面で半金属性を維持しており、フェルミ準位近傍のスピン反対側チャネルに界面状態が存在しない。
• IrCrMnAl/MgO/IrCrMnAlおよびIrCrMnGa/MgO/IrCrMnGa MTJでは、多数スピン電導度が顕著に観測され、一貫したトンネル輸送が効率的に行われている。
• スピン軌道結合はフェルミ準位近傍の電子構造に測定可能な影響を与えるが、半金属ギャップを損なわない。
• 系はアンチサイト不純物に対して頑健であり、秩序状態でも安定した半金属的挙動が維持される。
• 提案されたIrCrMnZ/MgO MTJは、高いTCと安定した界面電子構造のおかげで、TMRの温度依存性が弱いと予測される。