MgO基垂直磁各向异性隧道结的电子输运研究

Interface induced perpendicular magnetic anisotropy (PMA) have.demonstrated merit to lower critical current (Jc) for magnetization switching and to decrease unit volume in ferromagnet/MgO/ferromagnet (FM/MgO/FM) magnetic tunnel junctions (MTJs), which shows perspective in spintronic memories application based on spin transfer torque (STT) effect named STT-RAM. As a result, the fundamental physics of electronic transport, such as magnetoresistance (MR) and STT, in MgO.based MTJs with PMA has become one of hot issues in spintronics. Based on parameter-free first-principle calculations, the project focus on the MR and STT in MgO based MTJs with PMA as function of thickness of FM, asymettry of FM, disorder at FM/MgO interface, noble metal insertion, and FM materials (Fe, Co, CoFe, and CoFeB.alloy). We try to give a theoretical understand of the fundamental physics of electronic transport in MgO based MTJs with PMA.Moreover, we try to study the thermal effect in MgO based MTJs with PMA, such as thermalpower effect and thermal STT. The result of the project would be fundamental for the commercial application of STT-RAM by lowing the Jc to ~10^5A/cm^2 while maintaining thermal stability.

铁磁性过渡金属(FM)在MgO表面诱导产生的垂直磁各向异性(PMA)，已经证明可以使FM/MgO/FM隧道结(MTJs)具有更低的驱动磁化翻转的临界电流(Jc)和更小的功能单元体积，在基于自旋转矩(STT)效应的随机存储(STT-RAM)领域展现出光明的应用前景。因此，具有PMA性质的MgO基MTJs的磁电阻(MR)和STT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FM层厚度、FM层的非对称性、FM/MgO界面无序、贵金属插层和不同FM（Fe、Co、CoFe和CoFeB）对MgO基MTJs的PMA性质以及MR和STT的影响。从理论上理解具有PMA性质的MgO基MTJs的MR和STT等基础问题。此外，项目还拟研究该体系的温度效应（热电效应和温差产生的STT）。研究成果将为STT-RAM跨越最后障碍(即保持热稳定下使Jc降低到~10^5A/cm^2)走向应用奠定一定基础。

MgO基隧道结具有显著的磁电阻效应，可以通过电流或者热流产生的自旋转矩进行磁结构的控制，是自旋电子学的重点研究对象。本项目基于无参数的第一性原理散射矩阵方法研究了MgO基隧道结的热电性质、热自旋转矩、自旋赛贝克效应和基于MgO的反铁磁隧道结的自旋输运。.最近，MgO基隧道结的热电效应的数据相互矛盾。基于第一性原理方法，我们研究了MgO隧道结中的热电效应。通过参数剪裁我们得到室温大于1.0的热电优值。优秀的热电效应源于体系结构中热导和热电导的不同来源。我们预测MgO隧道结可能具有真正的热电效应应用。.在双势垒隧道结中，我们发现量子阱态的引入增强了热自旋转矩效应，同时也增强了热自旋转移效率。基于LLG方程的磁矩动力学模拟发现大约10K的温差就可能使双势垒隧道结的磁结构发生翻转，这个数值在实验可能实现的范围之内。.我们探索了干净的Ag/Fe/MgO/Fe/Ag隧道结的自旋赛贝克效应，观察到数量级为0.1的磁衰减系数和muJ/m2/K量级自旋流。该磁衰减系数是一个界面效应且具有强烈的方向依赖性，主要源于向上自旋电子共振态散射的强烈角度依赖性，该依赖性和自旋电子形成共振态所需要的苛刻条件有关。我们发现纳米磁结构里的热能导致的自旋波泵出的自旋流和非局域的电子流过携带的自旋流具有类似的性质。.磁矩之间的交换耦合会改变体系的进动行为。我们发现自旋泵出的转矩和电流产生的自旋转矩具有相同的效应，当增强的磁衰减系数不太小时隧道结中的交换耦合效应不可忽略。.我们研究了反铁磁Fe/MgO/FeMn/Cu隧道结的输运和自旋进动行为。反铁磁结构里的自旋进动相比铁磁结构的自旋进动具有诸多优点。在Fe/MgO/FeMn/Cu隧道结里观察到明显的磁电阻效应。该效应和我们构建的磁结构的对称性衰减有关。我们观察到作用在反铁磁序和净磁矩上的自旋转矩具有相同数量级，该体系的自旋进动类似于铁磁结构的自旋进动行为。