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

Tufan Roy, Masahito Tsujikawa외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 19.

Heusler alloys: electronic and magnetic properties참고 문헌 62인용 수 5

한 줄 요약

이 처음부터 원리에 기반한 연구는 MgO 기반 자기터널접합(MTJs)을 위한 고성능 전극 재료로 IrCrMnZ (Z = Al, Ga) 헤우슬러 합금을 제안한다. 이 재료들은 높은 스핀 분극도, MgO 인터페이스에서의 반금속성, 그리고 매우 높은 투스터 온도(1300 K 이상)를 보이며, 강력한 공명 터널링과 최소한의 인터페이스 스핀 반전 산란으로 인해 큰 온도 안정성 있는 터널링 자기저항비를 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• MgO 기반 MTJs에 사용하기 위한 높은 투스터 온도와 안정된 반금속성을 갖춘 새로운 헤우슬러 합금을 규명하는 것.
• 고온에서 터널링 자기저항(TMR)이 열화되는 문제를 해결하기 위해 열적 안정성이 향상된 재료를 규명하는 것.
• IrCrMnZ/MgO 이종접합의 전자 구조 및 스핀 운반 특성을 (001) 방향에서 평가하는 것.
• 스핀-오비트 결합과 이종위치 결함이 IrCrMnZ 합금의 전자 및 자기 특성에 미치는 영향을 조사하는 것.

제안 방법

• GGA-PBE 교환-상관 기능과 PAW 방법을 사용한 VASP를 이용한 처음부터 원리에 기반한 계산.
• 동적 안정성과 기계적 안정성을 평가하기 위해 진동 분포 및 탄성 상수를 계산.
• 이종위치 결함을 모델링하기 위해 64원자 초세포를 사용한 특수 가위랜덤 구조(SQS).
• 공명 스핀 운반 특성을 SPR-KKR 그린 함수 방법을 사용해 계산.
• 리히텐슈타인의 방법을 통해 헤이젠베르크 스핀 상호작용 상수를 평가하여 평균장 근사에서 투스터 온도를 추정.
• 전자 구조 분석을 위해 (001) 방향으로 IrCrMnZ와 MgO(각각 11층/5층)의 이종접합을 모델링하고, k-메시지까지 16×16×2를 사용.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IrCrMnZ (Z = Al, Ga, Si, Ge) 헤우슬러 합금은 MgO 인터페이스에서 반금속성을 유지할 수 있는가? 이는 높은 TMR에 필수적이다.
• RQ2 IrCrMnZ 합금의 투스터 온도는 얼마이며, 이는 TMR의 온도 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 스핀-오비트 결합은 IrCrMnZ/MgO 이종접합에서 페르미 수준 근처의 전자 구조에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 이종위치 결함은 IrCrMnZ 합금의 반금속성 특성과 안정성에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ5 평행 자화 상태에서 IrCrMnZ/MgO/IrCrMnZ MTJs의 공명 스핀 도전도는 얼마인가?

주요 결과

• IrCrMnAl 및 IrCrMnGa는 투스터 온도가 1300 K 이상을 기록하여 실온에서의 스핀트로닉스 응용에 있어 뛰어난 열적 안정성을 나타낸다.
• IrCrMnZ/MgO 이종접합은 인터페이스에서 반금속성을 유지하며, 페르미 수준 근처의 소수성 스핀 채널에 인터페이스 상태가 없음을 확인하였다.
• IrCrMnAl/MgO/IrCrMnAl 및 IrCrMnGa/MgO/IrCrMnGa MTJs에서 주로 스핀 도전도가 크게 관측되어 효율적인 공명 터널링을 나타낸다.
• 스핀-오비트 결합은 페르미 수준 근처의 전자 구조에 측정 가능한 영향을 미치지만, 해로운 영향은 없으며 반금속 갭을 유지한다.
• 이 시스템은 이종위치 결함에 대해 뛰어난 저항성을 보이며, 순서가 맞춰진 상태에서도 안정된 반금속 행동이 유지된다.
• 제안된 IrCrMnZ/MgO MTJs는 높은 TC와 안정된 인터페이스 전자 구조로 인해 TMR의 온도 의존성이 약해질 것으로 예측된다.