[論文レビュー] Thermal Stability and Electrical Control of Magnetization of Heusler/Oxide Interface and Non-collinear Spin Transport of Its Junction

Zhaoqiang Bai, Lei Shen+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2013

Heusler alloys: electronic and magnetic propertiesMaterials Science参考文献 73被引用数 22

ひとこと要約

本研究では、界面垂直磁気異方性および巨大磁電効果を活用して磁化の電場制御を実現する、高性能スピントロニクスプラットフォームとしてCo2FeAl/MgO/CFA垂直磁気トンネル接合（p-MTJs）を提案する。第一原理計算により、高い異方性エネルギー係数（β ≈ 10⁻⁷ erg/V·cm）、低減衰、高スピン偏光が得られ、大きな磁気抵抗比（MR ≈ 4100%）と低臨界電流密度を実現し、低消費電力で高安定性なメモリおよび論理デバイスに最適である。

ABSTRACT

Towards next-generation spintronics devices, such as computer memories and logic chips, it is necessary to satisfy high thermal stability, low-power consumption and high spin-polarization simultaneously. Here, from first-principles, we investigate thermal stability (both structure and magnetization) and the electric field control of magnetic anisotropy on Co2FeAl (CFA)/MgO. A phase diagram of structural thermal stability of the CFA/MgO interface is illustrated. An interfacial perpendicular-anisotropy, coming from the Fe-O orbital hybridization, provides high magnetic thermal stability and a low stray field. We find an electric-field-induced giant modification of such perpendicular-anisotropy via a great magnetoelectric effect (the anisotropy energy coefficient beta~10-7 erg/V cm). Our spin electronic-structure and non-collinear transport calculations indicate high spin-polarized interfacial states and good magnetoresistance properties of CFA/MgO/CFA perpendicular magnetic tunnel junctions.

研究の動機と目的

• 低消費電力スピントロニクスデバイスに向けた、巨大な電場による磁化制御を実現するFM/酸化物界面の急務な要請に対処すること。
• 高い熱的安定性、低スイッチング電流密度、優れたスピン輸送特性を同時に達成する材料系を同定すること。
• Co2FeAl/MgO界面が強い垂直磁気異方性と高スピン偏光を支持できることを実証すること。
• 非共線スピン輸送シミュレーションを用いてCFA/MgO/CFA p-MTJsの磁気抵抗特性を評価すること。
• CFA/MgOヘテロ構造の実験的作製を支援するため、界面熱的安定性の相図を提供すること。

提案手法

• Co2FeAl/MgO(001)界面の構造的および磁気的安定性を調査するために、第一原理密度汎関数理論（DFT）計算を用いた。
• さまざまな界面配置の生成エネルギー計算に基づき、界面熱的安定性の相図を構築した。
• 磁気異方性エネルギー（MAE）およびその電場依存性は、異方性エネルギー係数β = ΔMCA / EFを用いて計算した。
• CFA/MgO/CFA p-MTJsにおけるスピン輸送をモデル化するために、非平衡グリーン関数（NEGF）形式と非共線スピン輸送を組み合わせた手法を採用した。
• 界面スピン状態および磁気抵抗特性を分析するために、スピン偏光局所状態密度（LDOS）および電導度を計算した。
• 相対的性能を評価するため、従来のCoFe/MgO/CoFeおよびFePt/MgO/FePt接合と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Co2FeAl/MgO(001)界面は、構造的および磁気的両面で高い熱的安定性を示すか？
• RQ2 CFA/MgO界面は、強い垂直磁気異方性の電場制御を可能にする巨大磁電効果を示すか？
• RQ3 CFA/MgO界面におけるスピン偏光度はどの程度であり、トンネル電導度にどのように影響するか？
• RQ4 CFA/MgO/CFA p-MTJsの磁気抵抗特性は、CoFe/MgO/CoFeおよびFePt/MgO/FePt接合と比較してどのように異なるか？
• RQ5 低減衰、高異方性、高スピン偏光の組み合わせが、スイッチングに低臨界電流密度をもたらすか？

主な発見

• CFA/MgO(001)界面は、強い構造的および磁気的熱的安定性を示し、安定な界面配置を特定する相図が得られた。
• Fe-O軌道混合から生じる垂直磁気異方性（PMA）により、漏れ磁場が低減され、磁気的安定性が向上する。
• 電場によるPMAの変化は巨大であり、異方性エネルギー係数β ≈ 10⁻⁷ erg/V·cmを示し、従来のFM/MgO界面と比較して1桁高い。
• CFA/MgO/CFA p-MTJは、高スピン偏光界面状態を示し、0.8 nmの厚さでスピン偏光度が100％（半金属的）に達する。
• 計算された磁気抵抗比（MR）は約4100％に達し、CoFe/MgO/CoFe（約1000％）およびFePt/MgO/FePt（約1000％）の接合を大きく上回る。
• 電導度計算から、並進スピン多数状態の電導度は1.38 × 10⁻⁹ Sであり、反平行状態の電導度は3.37 × 10⁻¹⁴ Sと極めて小さく、優れたスピンフィルタ効率を示している。