[논문 리뷰] Effect of interface states on spin-dependent tunneling in Fe/MgO/Fe tunnel junctions

K. D. Belashchenko, Julian Velev외 1명|Insecta mundi|2005. 05. 13.

Magnetic properties of thin films참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 Fe/MgO/Fe(001) 터널 접합에서 얇은 MgO 장벽에서 관측된 터널링 자기저항(TMR) 감소의 원인으로 인터페이스 공진 상태를 규명한다. Fe/MgO 인터페이스에 단일층의 Ag를 도입함으로써 少수 스핀 상태를 통한 공진 터널링이 억제되며, 얇은 장벽에서 TMR가 약 130%에서 약 930%로 향상됨을 보여주어 고TMR, 저저항 자기터널접합을 위한 실용적 길을 제시한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 에피택시얼 Fe/MgO/Fe(001) 터널 접합에서 작은 MgO 장벽 두께에서 실험적으로 관측된 터널링 자기저항(TMR) 감소의 기원을 이해하는 것.
• 소수 스핀 인터페이스 공진 상태가 스핀 의존성 터널링에 미치는 영향과 평행 및 반병렬 자화 상태에서의 전도도에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 에피택시얼 Ag 단일층을 Fe/MgO 인터페이스에 도입하여 공진 터널링을 억제하고 얇은 장벽에서 TMR를 향상시키는 새로운 인터페이스 공학 전략을 제안하고 평가하는 것.
• Ag 인터레이어가 동시에 TMR를 향상시키고 페로자성 전극의 산화로부터 보호하여 장치 안정성을 향상시킬 수 있음을 입증하는 것.

제안 방법

• 교환-상관 에너지로 국소 밀도 근사(LDA)를 사용한 원자 구형 근사(ASA)에서의 타이트버드 선형 믹스인 토르볼드(TB-LMTO) 방법을 이용한 밀도함수 이론 계산.
• 대역 구조 및 인터페이스 상태 기술의 정확성을 확보하기 위해 ASA 결과를 포괄 잠금 LMTO(FP-LMTO) 계산과 대조하여 검증.
• 장벽 두께에 따른 스핀 분리 터널 전도도 및 TMR를 계산하기 위해 주요층 그린함수 기법을 사용.
• 교환-상관 에너지로 일반화된 기울기 근사(GGA)를 사용한 허브스페이스 코드(VASP)를 이용한 Fe/Ag/MgO/Ag/Fe 접합의 구조적 완화.
• Fermi 수준 근처에서의 인터페이스 공진 상태와 그 분산을 시각화하기 위해 k∥-해상 국소 밀도 상태(DOS) 분석.
• Ag 인터레이어 유무에 따른 전도도 및 TMR를 비교하여 인터페이스 상태 억제 효과를 분리 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이론적으로 높은 TMR를 예측하는 바에 비해, MgO 장벽 두께가 2 nm 이하로 감소할 때 Fe/MgO/Fe(001) 터널 접합에서 터널링 자기저항(TMR)이 감소하는 이유는 무엇인가?
• RQ2 특히 Fe/MgO 인터페이스에서의 소수 스핀 상태로 나타나는 인터페이스 공진 상태는 반병렬 및 평행 자화 상태에서 스핀 의존성 터널링에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 이러한 공진 상태를 통한 터널 전도도는 다수 스핀 전도도의 열화 없이 억제될 수 있는가? 이를 통해 얇은 장벽에서 TMR 향상가능한가?
• RQ4 Fe/MgO 인터페이스에 단일층의 Ag를 도입함으로써 전자 구조가 어떻게 변화하고, 공진 인터페이스 상태가 얼마나 억제되는가?
• RQ5 TMR 향상과 산화 방지 기능을 고려할 때, 제안된 Ag 인터레이어 전략은 장치 응용에 실현 가능할까?

주요 결과

• 인터페이스 공진 상태, 특히 표면 브릴루앙 영역의 Γ 점 근처에서의 소수 스핀 상태가 반병렬 상태에서의 전도도와 평행 상태에서의 소수 스핀 전도도에 기여한다.
• 이러한 공진 상태는 두 Fe/MgO 인터페이스에서의 잠재력 불일치에 매우 민감하며, 무질서 또는 외부 전압이 가해지면 그 위상 일관성이 깨져 얇은 장벽에서 TMR가 급격히 감소한다.
• 이러한 공진 상태의 존재는 공명 터널링이 가능한 양자역학적 메커니즘으로서, 실험적으로 관측된 MgO 두께 감소에 따른 TMR 감소 현상과 이론적 예측(일관된 터널링)과의 괴리를 설명한다.
• Fe/MgO 인터페이스에 Ag 단일층을 도입함으로써 Fe 상태와의 혼성화로 인해 공진 터널링이 억제되며, 이로 인해 인터페이스 밴드의 분산성이 증가하고 Fermi 수준에서의 밀도 상태가 감소한다.
• 결과적으로, 얇은 MgO 장벽(4 ML)에서 TMR가 약 130%에서 약 930%로 급격히 향상되며, 이는 반병렬 전도도 억제와 다수 스핀 전도도 유지 덕분이다.
• Ag 인터레이어는 페로자성 전극의 산화로부터 보호하여 장치 안정성을 향상시키며, Fe, Ag, MgO 간의 격자 매칭으로 인해 실현 가능성이 높다.