基于MgO磁性隧道结各向异性磁电阻的第一性原理研究

Interface induced magnetic anisotropy have demonstrated merit to lower critical current (Jc) for magnetization switching and to decrease unit volume in MgO-based magnetic tunnel junctions (MTJs), which shows perspective in spintronic memories application based on spin transfer torque effect named STT-RAM. As a result, the fundamental physics of electronic transport, such as anisotropic magnetoresistance (AMR), in MgO-based MTJs has become one of hot issues in spintronics. Based on parameter-free first-principle calculations, the project focus on the AMR in MgO based MTJs with MR as function of thickness of MgO, disorder at FM/MgO interface, noble metal insertion, and FM materials (Fe, Co, CoFe, and CoFeB alloy). Moreover, we try to study the effects of electric field on the magnetoresistance in MgO-based MTJs.

铁磁性过渡金属(FM)在MgO表面诱导产生的磁各向异性，对于使基于MgO隧道结(MTJs)具有更低的驱动磁化翻转的临界电流(Jc)和更小的功能单元有着重要的影响，在基于自旋转矩效应的随机存储(STT-RAM)领域展现出光明的应用前景。因此，基于MgO的MTJs的各向异性磁电阻(AMR)成为目前自旋电子学的研究热点。基于第一性原理方法，项目拟研究MgO层厚度、FM/MgO界面无序、贵金属插层和不同FM（Fe、Co、CoFe 和CoFeB）对基于MgO的MTJs的AMR的影响。此外，项目还拟研究该体系在外加电场作用下的磁电阻效应。

基于MgO磁性隧道结具有显著的磁电阻效应，是自旋电子学的重点研究对象。隧道结中的各向异性磁电阻效应（AMR）相对于金属中的显著增强，引起了广泛的研究兴趣。本项目基于无参数的第一性原理散射矩阵方法研究了MgO隧道结的AMR效应，探究了隧道结中AMR的影响因素。. 最近实验中在MgO隧道结中发现了复杂的角度依赖的磁电阻。基于第一性原理的方法，我们研究了NM/MgO/Fe隧道结中的磁电阻。我们发现磁电阻随角度呈现四重对称关系，且AMR显著增强，高达15%。并且我们得出这一增强效应及复杂的角度依赖关系来源于自旋轨道耦合引起的界面共振态。在NM/MgO/Fe隧道结中我们发现增大MgO层的厚度能够显著增大体系的AMR，并且非磁性金属层也能影响AMR。我们进一步探究了Ir和Pt作为NM层的磁电阻，当非磁金属层为贵金属时，AMR显著增大。. 基于第一性原理散射理论，我们研究了非对称Ag/Fe(8)/MgO(3)/Fe(8)/MgO(5)/Fe(8) /Ag隧道结中的电阻态和自旋动力学。自旋动力学模拟表明，通过控制电压偏置方案和参考磁化位置，可以达到四种具有显著差异的电阻状态。基于我们的研究结果，多值逻辑可能应用于非对称MgO双势垒磁隧道结。