基于磁性尖晶石铁氧体势垒的磁性隧道结中相关物理问题的第一性原理计算研究

For magnetic spinel-based magnetic tunneling junctions, this project will, by using first-principles calculations based on density functional theory, optimize and obtain ferromagnetic electrode/magnetic spinel (inverse spinel) heterostructures with high perpendicular magnetic anistropy, and reveal the physical mechanism about the high perpendicular magnetic anisotropy. Then, using first principle calculations and non-equilibrium Green Function method, we will investigate tunneling magnetoresistance (TMR) of the magnetic tunneling junctions formed by the obtained ferromagnetic electrode/magnetic spinel (inverse spinel) heterostructures with high perpendicular magnetic anistropy. Furthermore we will explore and obtain one or two magnetic tunneling junctions with large TMR ratio and high perpendicular magnetic anisotropy and reveal the physical mechanism of the large TMR ratio. This can provide a new route for obtaining the magnetic tunneling junctions with large TMR ratio and high perpendicular magnetic anisotropy.

本项申请以磁性尖晶石铁氧体为势垒的磁性隧道结作为研究对象，对磁性电极/磁性尖晶石铁氧体（磁性反尖晶石铁氧体）异质结，采用第一性原理计算优化得到具有较大垂直各向异性的磁性电极/磁性尖晶石铁氧体（磁性反尖晶石铁氧体）异质结构，揭示调控其产生较大垂直各向异性的物理机制。对于用优化得到的具有较大垂直各向异性的磁性电极/磁性尖晶石铁氧体（磁性反尖晶石铁氧体）异质结构成的磁性尖晶石铁氧体（磁性反尖晶石铁氧体）为势垒的垂直磁性隧道结，采用第一性原理计算结合非平衡格林函数的方法，通过计算探索出一、两种具有较大TMR效应的垂直磁性隧道结，揭示其产生较大TMR效应的物理本质，为实现垂直磁性隧道结具有较高TMR值提供一种新的可能途径。

探索以磁性绝缘体为势垒的磁性隧道结(MTJ)的磁各向异性及其在不同磁性构型下的自旋输运性质，将会推动具有高隧穿磁电阻(TMR)值的垂直磁性隧道结(p-MTJ)的研制，对于有效研发高密度、高容量和低功耗的基于STT的磁随机存储器(STT-MRAM)具有积极意义。本项目采用基于密度泛函理论的第一性原理计算研究了Co2FeAl/NiFe2O4超晶格的结构和磁各向异性。计算研究发现：尽管自旋轨道耦合较小，Co终止的Co2FeAl和Ni与O终止的NiFe2O4界面可以产生高达1.07mJ/m2的垂直各向异性，其中界面Co原子对Co2FeAl/NiFe2O4产生的大界面垂直各向异性有重要作用。同时，界面Ni原子也对大垂直各向异性有不可忽略的贡献。在此基础上，采用第一性原理计算结合非平衡格林函数的方法计算研究了设计的以磁性尖晶石铁氧体NiFe2O4为势垒、Heusler合金Co2FeAl为电极的磁性隧道结的磁性和自旋输运性质。计算发现由于Co2FeAl的高自旋极化率和NiFe2O4的自旋过滤效应，设计的MTJ具有大的TMR值。范德瓦尔斯(vdW)内禀磁性材料的发现为探索高性能的vdW磁性隧道结提供了新途径。为探索同时具有垂直磁各向异性和大TMR值的vdW磁性隧道结，本项目理论设计了以单层铁磁半导体CrI3为势垒、vdW铁磁金属Fe3GeTe2为电极的vdW磁性隧道结。计算研究发现设计的vdW磁性隧道结具有强的垂直磁各向异性；由于势垒CrI3的多子和少子态分别具有金属和半导体性质以及Fe3GeTe2电极的多子导电通道大于少子的导电通道，设计的vdW磁性隧道结可产生3100%的TMR。项目研究为实现MTJ同时具有垂直磁各向异性和大TMR提供了新思路和理论指导。