[논문 리뷰] High magnetoresistance of hexagonal boron nitride-graphene heterostructure-based MTJ through excited-electron transmission

Halimah Harfah, Yusuf Wicaksono외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 18.

Graphene research and applications참고 문헌 50인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 헥사고날 붕소질화물-그래핀-hBN (hBN-Gr-hBN) 이종구조를 기반으로 하는 자기터널접합(MTJ)을 제안하며, 페르미 준위 약간 위인 0.34 eV에서 기록적인 약 1200%의 터널링 자기저항(TMR) 비율을 달성한다. 높은 TMR는 Ni/hBN 인터페이스에서 d^z²-오비탈 표면 상태를 통한 자극된 전자 전도성에 기인하며, 이는 질소의 p^z-오비탈과 혼성화되어 있으며, 그래핀의 인접 효과로 인해 상호작용이 강화되고 전도 손실이 억제된다.

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.

연구 동기 및 목표

• ab initio 방법을 사용하여 Ni(111)/nhBN/Ni 및 Ni/hBN-Gr-hBN/Ni 자기터널접합(MTJ)의 전자 전도 메커니즘을 조사하기 위해.
• hBN 기반 MTJ에서 페르미 준위 이상의 에너지에서 관측된 높은 터널링 자기저항(TMR) 비율의 기원을 이해하기 위해.
• hBN 장벽에 그래핀을 포함시킬 경우 표면 상호작용과 인접 효과를 통해 TMR가 어떻게 향상되는지 탐구하기 위해.
• 페르미 에너지 바로 위에서 관측된 고 TMR를 바탕으로 새로운 장치 메커니즘을 제안하여 스핀트로닉스 응용 분야에 기여하기 위해.

제안 방법

• n = 2, 3, 4, 5 층의 hBN을 포함한 Ni(111)/nhBN/Ni 및 Ni/hBN-Gr-hBN/Ni 이종구조의 전자 구조를 모델링하기 위해 스핀 분리 밀도함수이론(SP-DFT)을 사용하였다.
• 터널링 자기저항(TMR) 비율을 평가하기 위해 Landauer-Büttiker 형식을 사용하여 전도도 확률을 계산하였다. 평행(PCA) 및 반병렬(APC) 자기 상태를 고려하였다.
• Ni/hBN 인터페이스에서 Ni의 d^z² 오비탈과 질소의 p^z 오비탈 간의 오비탈 혼성화를 분석하여 특정 에너지에서 전도도 향상의 기원을 규명하였다.
• 다층 hBN 시스템에서의 인접 효과의 역할을 조사하였으며, 특히 감쇠파(에반스턴트 웨이브)의 형성과 전도도에 미치는 영향을 분석하였다.
• 순수한 hBN 장벽(Ni/nhBN/Ni)과 그래핀 도핑된 hBN 장벽(Ni/hBN-Gr-hBN/Ni)의 전도도 및 TMR를 비교하여 그래핀의 기능적 역할을 분리 분석하였다.
• 정확한 반데르발스 상호작용과 전자적 성질 기술을 위해 SIESTA 코드를 사용하였으며, DFT+D3 보정과 PBE 함수를 적용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 Ni/nhBN/Ni MTJ에서 최고의 TMR 비율이 n=2일 때 약 0.28 eV, n>2일 때 0.34 eV에서 관측되며, 페르미 에너지에서가 아니라 페르미 준위 약간 위에서 나타나는가?
• RQ2 Ni/hBN 인터페이스에서 d^z²-p^z 혼성화는 어떤 역할을 하여 고에너지 영역에서 높은 TMR를 가능하게 하는가?
• RQ3 hBN 장벽에 그래핀 층을 포함시켜 hBN-Gr-hBN를 형성함으로써 전도도 확률과 TMR 비율은 어떻게 변화하는가?
• RQ4 Ni/hBN-Gr-hBN/Ni 시스템에서 순수한 Ni/nhBN/Ni 시스템보다 관측된 TMR 향상의 메커니즘은 무엇인가?
• RQ5 페르미 에너지 바로 위에서 관측된 고 TMR는 스핀트로닉스 장치에서 새로운 독취 메커니즘을 가능하게 하는가?

주요 결과

• Ni/nhBN/Ni MTJ는 n=2일 때 약 0.28 eV, n>2일 때 약 0.34 eV에서 고 TMR 비율을 나타내며, 이는 모두 페르미 준위 약간 위에 위치해 있어 페르미 준위 외부에서 TMR 최대치를 보이는 것을 시사한다.
• 0.34 eV에서의 고 TMR는 Ni의 d^z² 오비탈과 N의 p^z 오비탈 간 혼성화로 형성된 표면 상태를 통한 전자 전도성에 기인한다.
• n>2일 경우 인접 효과로 인해 감쇠파가 형성되어 전도도 확률은 감소하지만, 스핀 필터링이 강화되어 TMR 비율은 증가한다.
• Ni/3hBN/Ni에서 중심의 혼성화되지 않은 hBN 층을 그래핀으로 대체함으로써 (hBN-Gr-hBN 형성) 전도도 확률과 TMR 비율이 모두 향상된다.
• Ni/hBN-Gr-hBN/Ni 이종구조는 0.34 eV에서 약 1200%의 TMR 비율을 달성하여 페르미 에너지보다 높고, 기존 MTJ를 뛰어넘는다.
• 그래핀 층은 Ni의 d^z² 오비탈과 hBN의 B 원자의 p^z 오비탈 간의 인접 효과를 강화하여 표면 상호작용을 강화하고 고 TMR를 가능하게 한다.