电极材料对多铁隧道结磁电效应和输运性质影响的机理研究

The multiferroic tunnel junctions have been a hot research point on newly electronical materials research due to the significant application prospects in the super high information storage devices. The magnetoelectric effect of multiferroic tunnel junctions depends significiantly on the interfacial structure of tunnel junction. It is very important to choose a suitable electrode for realizing the application of information storage devices. This foundation have an insight into the effect of electrodeson the interface effect, ferroelectric polarization and transport properties of multiferroic tunnel junction combining the first principles based on the full quantum theory framework and non-equilibrium Greens function method. We aim to realize the comprehensive evaluation of electrodes. The details of investiation are obtaining the superior interfacial structures of multiferroic with different electrodes by estimating the atomic bond and formation energies. Then, the interaction between electrodes and magnetoelectric properties has been established via calculating spontaneous polarization and interfacial magnetism. In addition, it is found out the inherent rules of electrodes modulate on the transport properties of multiferroic junction via calculating the transimisstion spectrum, I-V curves. We hope the theoretical basis has been established for the device design and the performance assessment of mutiferroic tunnel junction electronic devices based on the correspondence between micro-regulation and macro-performance.We aim to realize the comprehensive evaluation of electrodes. We hope the theoretical basis have been established for the device design and the performance assessment of mutiferroic tunnel junction electronic devices.

多铁隧道结在超高密度信息存储器件中的巨大应用前景，使得它们成为当今新型电子材料研究领域的热点。由于多铁隧道结的磁电性质非常依赖于隧道结的界面结构，让多铁隧道结电极材料的选择成为实现其在信息存储器件中应用的关键因素。本项目将结合基于全量子框架下的第一性原理和非平衡格林函数的方法，以实现对多铁隧道结中电极材料的综合评价为目标，探索不同电极材料对隧道结的界面耦合性质、铁电极化以及传输性质的影响机制。具体通过研究隧道结的原子间化学键和形成能，获得多铁隧道结最优的界面结构模型；通过自发极化和界面磁性的计算，建立多铁隧道结磁电耦合性质与电极材料的关系；计算传输谱、I-V曲线，找出电极材料调制隧道结输运性质的内在规律；基于微观调控机理和宏观性能的对应关系，为多铁隧道结电子器件的设计及性能评价奠定理论基础。

多铁隧道结的磁电特性在实际器件设计中能发挥其效用，首要的条件是多铁隧道结中铁电势垒层能够满足电子隧穿条件的同时还能维持薄膜磁极化和电极化的稳定性。而电极材料的选择会极大地影响多铁隧道结的磁电特性。本项目基于全量子框架下的第一性原理和非平衡格林函数相结合的计算方法主要探索不同电极材料（包括金属电极，合金电极，氧化物电极等）对隧道结的界面耦合性质，磁电效应以及传输性质的影响，目的旨在对多铁隧道结的磁电特性对电极材料的依赖性进行综合评价，得到选取合适的电极来实现多铁隧道结的特殊功能和效用的一般规律，为多铁隧道结的器件设计以及在存储器件上的应用提供理论依据。主要成果如下：一、研究了铁电势垒层/磁性电极的界面结构及相互作用机理，铁电势垒层/磁性电极的界面结构是影响多铁隧道结的磁电性质和传输性质的重要前提条件。选取了不同磁性电极材料组成不同的界面结构，通过比较界面能获取不同电极材料所对应的最优界面结构模型。二、研究了电极材料对多铁隧道结的铁电临界尺寸与磁性性质的影响。建立多铁隧道结的铁电临界尺寸与电极材料的关系，分别计算出各种隧道结的界面磁矩、自发极化；通过态密度、界面电荷密度分布，差分电荷密度等分析界面磁性与铁电极化大小和电极材料的关系。理解不同电极材料的多铁隧道结磁电耦合机制。三、 进一步研究了电极材料对多铁隧道结自旋和电子输运性质的影响。通过采用非平衡格林函数的方法,找到电极材料影响多铁隧道结磁电性质和传输性质的关系，结合电子结构分析不同电极材料影响多铁隧道结的输运性质改变的物理机制。四、为了比较Co电极与BaTiO3形成隧道结复合界面体系的磁电性质，研究了Co掺杂BaTiO3的磁电性质变化。结果发现Co掺杂BaTiO3能产生可观的磁矩3.15μB，磁性主要来源于掺杂Co原子，随着掺杂浓度增加，电子占据带隙态的概率随之增加。而且O空位的存在将会导致磁性的消亡，自旋结构由高自旋向低自旋过渡。