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

Zhaoqiang Bai, Lei Shen+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2013

Heusler alloys: electronic and magnetic propertiesMaterials Science参考文献 73被引用 22

一句话总结

本研究提出 Co2FeAl/MgO/CFA 交叠磁性隧道结（p-MTJs）作为一种高性能自旋电子学平台，利用界面垂直磁各向异性和巨大的磁电效应，实现电场对磁化的调控。第一性原理计算显示，其各向异性能量系数 β ≈ 10⁻⁷ erg/V·cm，阻尼系数低，自旋极化率高，从而实现大的磁阻比（MR ≈ 4100%）和低临界电流密度，使其非常适合用于低功耗、高稳定性的存储与逻辑器件。

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.

研究动机与目标

• 为满足对具有巨大电场调控磁化能力的铁磁/氧化物界面的迫切需求，以实现低功耗自旋电子学器件。
• 识别一种能同时实现高热稳定性、低开关电流密度和优异自旋输运性能的材料体系。
• 证明 Co2FeAl/MgO 界面可支持强垂直磁各向异性及高自旋极化率。
• 利用非共线自旋输运模拟评估 CFA/MgO/CFA p-MTJs 的磁阻性能。
• 提供界面热稳定性的相图，以指导 CFA/MgO 异质结构的实验制备。

提出的方法

• 采用第一性原理密度泛函理论（DFT）计算，研究 Co2FeAl/MgO(001) 界面的结构与磁稳定性。
• 基于不同界面构型的形成能计算，构建界面热稳定性的相图。
• 利用各向异性能量系数 β = ΔMCA / EF 计算磁各向异性能（MAE）及其电场依赖性。
• 采用非平衡格林函数（NEGF）形式与非共线自旋输运方法，模拟 CFA/MgO/CFA p-MTJs 中的自旋输运。
• 计算自旋极化局域态密度（LDOS）与电导率，以分析界面自旋态与磁阻特性。
• 将结果与传统的 CoFe/MgO/CoFe 和 FePt/MgO/FePt 结构进行比较，评估其相对性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 Co2FeAl/MgO(001) 界面能否在结构与磁性方面均表现出高热稳定性？
• RQ2 CFA/MgO 界面是否表现出巨大的磁电效应，从而实现对垂直磁各向异性的强电场调控？
• RQ3 CFA/MgO 界面的自旋极化程度如何？其对隧穿电导率有何影响？
• RQ4 CFA/MgO/CFA p-MTJs 的磁阻特性与 CoFe/MgO/CoFe 和 FePt/MgO/FePt 结构相比如何？
• RQ5 低阻尼、高各向异性能与高自旋极化率的结合是否可导致低临界电流密度的开关特性？

主要发现

• CFA/MgO(001) 界面表现出强结构与磁性热稳定性，相图识别出稳定的界面构型。
• 垂直磁各向异性（PMA）源于 Fe-O 轨道杂化，可降低漏磁场并增强磁稳定性。
• 电场对 PMA 的调控效应巨大，各向异性能量系数 β ≈ 10⁻⁷ erg/V·cm，比传统 FM/MgO 界面高出一个数量级。
• CFA/MgO/CFA p-MTJ 展现出高自旋极化的界面态，在 0.8 nm 厚度时自旋极化率达 100%（半金属性）。
• 计算得到的磁阻比（MR）约为 4100%，显著优于 CoFe/MgO/CoFe（≈1000%）和 FePt/MgO/FePt（≈1000%）结。
• 电导率计算显示，平行自旋多数通道电导率大（1.38 × 10⁻⁹ S），反平行自旋通道电导率极小（3.37 × 10⁻¹⁴ S），表明具有优异的自旋过滤效率。