合金-MgO磁性隧道结自旋转矩优化机制的第一原理研究

MgO-based magnetic tunneling junctions (MTJs) have attracted great research attentions, because of its importance in fundamental physics and the potentials for technological/commercial applications. Experiments have found MTJs with alloy electrodes (such as CoFeB, CoFe etc.) demonstrate excellent thermal stability and higher TMR value, which are more applicable in industry with respect to the MTJ with pure metal electrodes. Disorders are inevitably incorporated during the sample preparation, so it is important to consider the disorder effect on STT. However, the traditional wave-function method is hard to analysis the disorder effect in alloy-MgO MTJs. In this study, we would focus on the optimization mechanism of STT (lower the switching current density, enhance the thermal spin effect) in alloy-MgO based MTJs, and adopting the coherent potential approximation method to handle the disorder problem. We would systematically study the interface/surface disorder diffussion, alloy electrode (component, concentration, thickness) and thermal bias effects on STT. Our research in principle may provide STT optimization parameters which would be the fundamental for extensive commercial application of STT-MRAM in further.

以MgO磁性隧道结(MTJ)为核心单元的自旋转矩(STT)-磁随机存储器(MRAM)具有更低的磁化翻转临界电流密度、更高的集成度等优异性能和光明的应用前景吸引了人们广泛的关注。实验发现，相对于单质电极，合金电极(如CoFe、CoFeB等)-MgO基MTJ有着更高的热稳定性、更显著的隧穿磁电阻效应等优点，因此更适用于工业应用。考虑到样品制备过程中相关参数的影响，无序杂质将不可避免地存在于样品中，因而研究该体系STT的杂质效应十分重要，而传统的波函数方法不适合研究合金-MgO基MTJ中STT的杂质效应。本项目将围绕铁磁合金-MgO基隧道结中STT效应的优化(降低临界电流密度，增强热自旋效应)问题展开，采用相干势近似方法处理体系的无序杂质问题，研究界(表)面杂质、合金电极组分和温差效应等因素对STT效应的影响，相关研究可能得到优化STT的相关参数，为STT-MRAM的广泛应用奠定一定理论基础。

MgO基磁性隧道结具有显著的隧穿磁电阻效应，利用自旋转矩效应可实现信息的存储。层间耦合可视为自旋转矩的面外部分，在动力学过程中决定磁矩进动的快慢。.本项目基于第一性原理计算，使用表面格林函数研究了CoFeB-MgO隧道结中层间耦合（IEC）的调控，提出根据IEC的变化来探测磁性原子位置的方法，此外，我们还研究了隧道结的隧穿各向异性磁电阻(TARM)。.首先，CoFeB-MgO隧道结在退火后，电极中仍可能有少量硼（B）元素存在，研究发现，CoFeB电极中通过调控B的浓度和Co、Fe的比例，可使IEC的量级增大一倍；当电极不含B原子或者有低浓度B存在时，CoFeB-MgO中的IEC随着Co浓度的增大呈现振荡增强的趋势，高浓度的B掺杂、环境温度的升高以及较厚的MgO势垒层都将将压制IEC的振荡和大小。.其次，基于Fe|真空|Fe隧道结模型，我们讨论了计算IEC不同方法之间的优劣势及其误差来源，通过调整真空层附近Fe原子的对应方式，发现IEC的大小或符号有着显著的变化，因此我们提出可通过IEC的变化来探测磁性原子在表面的位置。.最后，我们研究了MgO隧道结的TAMR随Fe磁矩角度变化的规律，相对于电流方向，Fe的磁矩指向可分别在面内和面外变化。研究发现，当磁矩在面内转动时，隧穿电导角度依赖性满足三角函数关系，但当磁矩在面外转动时，隧穿电导显著偏离了三角函数关系。