铁电垒磁性隧道结中的非对称界面效应

Asymmetric interfaces, in general, exist inevitably in the magnetic tunneling junction with a ferroelectric barrier, such as the different terminal atomic layers within the barrier, and asymmetric interfaces will have important influence on the transport properties of the junction. Based on the first-principles calculations, the formation mechanism of stable interface structures and its dependence on experimental conditions are studied. Effects of asymmetric interfaces on the interfacial electronic structure, magnetic structure, magnetoelectric coupling are investigated. At the same time, by calculating the intrinsic double-well potential of the ferroelectric barrier, the critical thickness will be given for the junction with asymmetric interfaces. Further, using the parameters obtained from the first-principles calculations, and combining the thermodynamics phenomenological model and the quantum tunneling theory, effects of asymmetric interfaces on the charge transport and spin transport in the junction are simulated. By artificially inserting transition metal oxide layer in the interface, we try to find an effective way to enhance the interfacial magnetoelectric coupling, and to obtain large polarization, high tunneling electroresistance and tunneling magnetoresistance. Our studies can provide theoretical foundation on the preparation of high-performance multi-state memories and spintronic devices.

非对称界面是铁电垒磁性隧道结制备过程中不可避免的，并会对隧道结的输运性质产生重要影响。本课题采用基于密度泛函理论的第一性原理方法，研究不对称界面的形成机制以及它对实验条件的依赖(如基底应力、制备氧压、沉积厚度), 系统分析非对称界面对铁电垒磁性隧道结界面电子结构、磁结构、磁电耦合的影响。同时通过计算铁电垒的本征双势阱，考察非对称界面对铁电垒临界厚度和自发极化的影响。进一步利用第一性原理计算得到的参数，结合热力学唯像理论和量子隧穿理论研究非对称界面对隧道结电荷输运和自旋输运性质的影响。更进一步通过在隧道结界面处插入过渡磁性金属氧化层，系统探究如何增强界面磁电耦合，寻找在铁电垒中获得高自发极化、增强铁电垒磁性隧道结电致电阻效应和磁致电阻效应的有效途径。为实验制备高性能多态存储器和高性能自旋电子器件提供设计方案和理论依据。

应用朗道唯像理论和量子隧穿理论以及第一性原理计算方法, 对铁电隧道结中的界面效应, 特别是非对称界面对隧道结隧穿电阻、伏安特性以及界面对势垒极化影响进行了深入研究。主要工作和成果如下：(1)考虑隧道结中一个界面极化是可随外场反转, 另一个界面极化被钉扎, 这种界面非对称效应可以产生电致电阻效应。相对于极化可以翻转界面而言, 电致电阻效应对钉扎界面的极化大小变化不敏感。当钉扎的界面极化指向中间铁电势垒时可以增强器件的电致电阻效应, 降低界面的介电常数可以提高电致电阻效应。可翻转界面和钉扎界面对器件电致电阻效应影响不一样。(2)以SRO/BTO/Pt隧道结研究了不对称电极隧道结P-E回线和J-V特性，将铁电垒的非均匀极化、界面极化以及电极的屏蔽电荷耦合起来，发现界面效应会导致电滞回线漂移，进而进一步导致隧道结J-V曲线正负矫顽场不对称，阐述了这些现象的物理起源。(3)研究了Pt/STO/BTO/Pt复合势垒隧道结中介电-铁电界面对隧道结TER效应影响，介电层与铁电层之间的界面总是有利于TER效应。特别是当介电-铁电界面极化指向势垒，极化越大，介电常数越小越有利于电致电阻效应增强。(4)在LNO-BTO超晶格中，考虑了两种不同界面(LaO-TiO2和NiO2 –BaO)。研究得到，对于LaO-TiO2对称界面，薄膜的临界尺寸为6.5层，而对于NiO2-BaO界面临界尺寸为4.5层。由于界面(LaO)+和(NiO２)-层的极性不连续，导致BTO界面处分别出现电子掺杂和空穴掺杂，从而抑制或增强铁电薄膜自发极化。(5)以SRO/BTO/SRO隧道结为例，在电极和势垒处对称插入极性原子层，发现当插入(AlO2)-，仅势垒一侧出现空穴掺杂，并有效屏蔽铁电极化，势垒极化比无原子插层时强。当在界面处插入(LaO)+，势垒两侧均出现电子掺杂，且垒的平均极化降低，这说明异质中界面电子掺杂与空穴掺杂效应与BTO体材料中掺杂效应不同。.我们的研究为高性能铁电隧道结器件设计提供理论指导。特别是利用界面来调控并增强材料的铁电性以及纳米铁电器件性能提供了有效途径，有重要的学术价值。