[논문 리뷰] Thermal Stability and Electrical Control of Magnetization of Heusler/Oxide Interface and Non-collinear Spin Transport of Its Junction

Zhaoqiang Bai, Lei Shen외 5명|arXiv (Cornell University)|2013. 03. 14.

Heusler alloys: electronic and magnetic properties참고 문헌 73인용 수 22

한 줄 요약

이 연구는 전기장에 의한 자화 제어를 위한 표면에 수직 자기이성질성과 거대한 자기전기 효과를 활용하는 고성능 스핀트로닉스 플랫폼으로 Co2FeAl/MgO/CFA 수직 자기터널접합(기본형 p-MTJs)을 제안한다. 밀도함수이론 기반의 첫 번째 원리 계산 결과, 높은 이방성 에너지 계수(β ≈ 10⁻⁷ erg/V·cm), 낮은 감쇠, 높은 스핀 분포도를 보이며, 이는 큰 자기저항비율(MR ≈ 4100%)과 낮은 임계 전류 밀도를 초래하여 저전력, 고안정성 메모리 및 논리 장치에 이상적이다.

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.

연구 동기 및 목표

• 저전력 스핀트로닉스 장치를 위한 거대한 전기장 제어 자화 기능을 갖춘 FM/산화물 인터페이스가 필요한 급박한 요구를 해결하기 위해.
• 높은 열적 안정성, 낮은 스위칭 전류 밀도, 뛰어난 스핀 운반 특성을 동시에 확보하는 물질 체계를 규명하기 위해.
• Co2FeAl/MgO 인터페이스가 강한 수직 자기이성질성과 높은 스핀 분포도를 지닐 수 있음을 입증하기 위해.
• 비균형 그린 함수(NeGF) 형식과 비결합 스핀 운반 시뮬레이션을 사용하여 CFA/MgO/CFA p-MTJs의 자기저항 성능을 평가하기 위해.
• CFA/MgO 이중구조의 실험적 제작을 안내하기 위한 표면 열적 안정성의 상도를 제공하기 위해.

제안 방법

• Co2FeAl/MgO(001) 인터페이스의 구조적 및 자기적 안정성을 조사하기 위해 첫 번째 원리 밀도함수이론(DFT) 계산을 사용하였다.
• 다양한 인터페이스 구조의 형성 에너지 계산 기반으로 표면 열적 안정성의 상도를 구성하였다.
• 자기이방성 에너지(MAE) 및 전기장에 따른 의존성을 계산하였으며, 이방성 에너지 계수 β = ΔMCA / EF를 사용하였다.
• CFA/MgO/CFA p-MTJs의 스핀 운반을 모델링하기 위해 비균형 그린 함수(NeGF) 형식과 비결합 스핀 운반을 활용하였다.
• 인터페이스 스핀 상태와 자기저항 특성을 분석하기 위해 스핀 분포된 국부 밀도 상태(LDOS)와 도전도를 계산하였다.
• 기존의 CoFe/MgO/CoFe 및 FePt/MgO/FePt 접합체와의 성능 비교를 통해 상대적 성능을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Co2FeAl/MgO(001) 인터페이스는 구조적 및 자기적 측면에서 높은 열적 안정성을 지닐 수 있는가?
• RQ2 CFA/MgO 인터페이스는 강력한 전기장 제어 수직 자기이성질성을 가능하게 하는 거대한 자기전기 효과를 보이는가?
• RQ3 CFA/MgO 인터페이스에서 스핀 분포도는 어느 정도이며, 이는 터널 도전도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 CFA/MgO/CFA p-MTJs의 자기저항 특성은 CoFe/MgO/CoFe 및 FePt/MgO/FePt 접합체와 비교하여 어떻게 다른가?
• RQ5 낮은 감쇠, 높은 이방성, 높은 스핀 분포도의 조합이 스위칭에 낮은 임계 전류 밀도를 초래할 수 있는가?

주요 결과

• CFA/MgO(001) 인터페이스는 강력한 구조적 및 자기적 열적 안정성을 보이며, 안정한 인터페이스 구조를 식별하는 상도가 구성되었다.
• Fe-O 궤도 혼성화에 의해 수직 자기이성질성(PMA)이 발생하여 잔류 자기장이 감소하고 자기적 안정성이 향상된다.
• 전기장 유도에 의한 PMA의 수정은 거대한 것으로, 이방성 에너지 계수 β ≈ 10⁻⁷ erg/V·cm로 계산되었으며, 기존의 FM/MgO 인터페이스보다 약 10배 높은 수준이다.
• CFA/MgO/CFA p-MTJ는 높은 스핀 분포된 표면 상태를 보이며, 0.8 nm 두께에서 스핀 분포도가 100% (반금속성)에 도달한다.
• 계산된 자기저항비율(MR)은 약 4100%에 도달하여, CoFe/MgO/CoFe(≈1000%) 및 FePt/MgO/FePt(≈1000%) 접합체보다 뚜렷이 뛰어나다.
• 도전도 계산 결과, 평행 상태의 주요 도전도는 1.38 × 10⁻⁹ S로 크고, 반대칭 상태의 도전도는 매우 작아 3.37 × 10⁻¹⁴ S로 나타나 뛰어난 스핀 필터링 효율성을 보인다.