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

Tufan Roy, Masahito Tsujikawa+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 19, 2021

Heusler alloys: electronic and magnetic properties参考文献 62被引用 5

一句话总结

本第一性原理研究提出IrCrMnZ（Z = Al, Ga）Heusler合金作为基于MgO的磁性隧道结（MTJs）的高性能电极材料。该材料表现出高自旋极化率、在MgO界面处的半金属性质以及极高的居里温度（>1300 K），由于强健的相干隧穿和极少的界面自旋翻转散射，可实现大且温度稳定的隧穿磁阻比。

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.

研究动机与目标

• 识别具有高居里温度和稳定半金属性质的新型Heusler合金，用于基于MgO的MTJs。
• 通过识别具有增强热稳定性的材料，解决高温下隧穿磁阻（TMR）性能退化的问题。
• 评估IrCrMnZ/MgO异质结在（001）方向上的电子结构和自旋输运特性。
• 研究自旋-轨道耦合与反位缺陷对IrCrMnZ合金电子和磁性性质的影响。

提出的方法

• 采用VASP进行第一性原理计算，使用GGA-PBE交换相关泛函和PAW方法。
• 通过计算声子色散关系和弹性常数，评估系统的动力学和力学稳定性。
• 采用包含64个原子超胞的特殊准随机结构（SQS）模型模拟反位缺陷。
• 利用SPR-KKR格林函数方法计算弹道自旋输运特性。
• 通过Liechtenstein方法评估海森堡交换耦合常数，基于平均场近似估算居里温度。
• 沿（001）方向构建IrCrMnZ与MgO（分别为11层和5层）的异质结构，电子结构分析采用最高达16×16×2的k点网格。

实验结果

研究问题

• RQ1 IrCrMnZ（Z = Al, Ga, Si, Ge）Heusler合金能否在MgO界面保持半金属性质，这对实现高TMR至关重要吗？
• RQ2 IrCrMnZ合金的居里温度是多少，其对TMR的温度稳定性有何影响？
• RQ3 自旋-轨道耦合如何影响IrCrMnZ/MgO异质结在费米能级附近的电子结构？
• RQ4 反位缺陷在多大程度上影响IrCrMnZ合金的半金属性质和稳定性？
• RQ5 在平行磁化状态下，IrCrMnZ/MgO/IrCrMnZ MTJs中的弹道自旋电导率是多少？

主要发现

• IrCrMnAl和IrCrMnGa的居里温度超过1300 K，表明其在室温自旋电子学应用中具有卓越的热稳定性。
• IrCrMnZ/MgO异质结在界面处保持半金属性质，费米能级附近在反平行自旋通道中无界面态。
• 在IrCrMnAl/MgO/IrCrMnAl和IrCrMnGa/MgO/IrCrMnGa MTJs中观察到较大的多数自旋电导率，表明相干隧穿效率高。
• 自旋-轨道耦合对费米能级附近的电子结构具有可测量但非破坏性的影响，有效保持了半金属带隙。
• 系统对反位缺陷表现出强鲁棒性，在有序相中仍保持稳定的半金属性质。
• 所提出的IrCrMnZ/MgO MTJs预测具有较弱的TMR温度依赖性，归因于高TC和稳定的界面电子结构。