铁磁金属、半金属界面轻元素修饰特性及其对磁性隧道结输运特性影响的"自能"修正理论研究

Ferromagnetic metal (FM) and half metal have very broad applications in spin-transport devices, in which the interface is usually the key to device behaviors. FM/Insulator/FM magnetic tunnel junction (MTJ) has been paid much attention and extensively studied for its important application in magnetic reader and MRAM, especially for MgO based systems like FM/MgO/FM. But, presently, there is still a big difference between experimental result and theoretical prediction in its transportation behavior, for example, the I-V behavior and bias-depended magnetic resistance, in which the interface of ferromagnetic metal or half metal is regarded as the key to this problem. But the clear and detailed description of its mechanism is still lack. This project will focus on the MgO based MTJ with different ferromagnetic metal or half metal interfaces, especially that with the ferromagnetic metal interface modified by light elements. Based on the newly developed “self energy” modified pseudo potential method, we will use first principle and NEGF method to check the role played by ferromagnetic metal and half metal interface in spintronics for device applications and optimization. Aspects of this project are mainly related to the stability and dynamic behavior of the structure of the ferromagnetic metal and half metal interface when modified by light elements, the static distribution of charge and magnetic moment, and its influence to the transport properties of junctions etc. Through this research, we hope to get an accurate and detailed understanding of the behavior of ferromagnetic metal and half metal interface when modified with light elements, and provide the theoretical basis for relevant physical experiments and device application.

铁磁金属及半金属在自旋输运相关的电子器件中有非常广阔的应用前景，而在这些器件中，铁磁金属及半金属界面在许多情况下起着决定性的作用。对于其中之一的典型代表：铁磁金属/MgO/铁磁金属隧道结；研究表明，在磁电阻及其电压依赖关系等方面，其实验结果与理论预测间还存在很大偏差，而其中铁磁金属界面扮演着至关重要的角色，其内在机制尚待澄清。本项目基于第一性原理与非平衡格林函数方法，采用“自能”修正赝势，以典型的铁磁金属及半金属界面轻元素修饰为对象，以MgO基隧道结为载体，通过对铁磁金属及半金属界面轻元素修饰的动力学行为，界面修饰前后结构的变化、体系的电荷、磁矩的静态分布、体系对于外加电场的动态响应以及输运特性的变化等方面进行系统而全面的研究，从而对于铁磁金属及半金属界面的特性及其对磁性隧道结输运相关特性的影响得到全面、深入、细致的理解，并为物理实验和器件应用提供有价值的理论参考依据。

针对微纳材料和器件在基本电子学、存储、传感器等方面的广阔应用前景，我们对于目前普遍关注的重要的自旋电子学材料和器件、特别是二维材料和器件的基本特性进行了较为细致的研究。.我们主要探讨了不同应力下IIIB到VIB族过渡金属掺杂的1T-HfS2、银掺杂的单层WS2、过渡金属和贵金属Ni、 Pd、Pt掺杂的WS2薄膜、Co、Fe掺杂单层WSe2单层。考虑了自旋轨道耦合（SOC）和应变效应的半氢化锡纳米片和锡纳米带、IV族和VI族原子掺杂的砷单层。3d过渡金属（TM）掺杂的砷纳米片、含空位石墨单层。3d过渡金属（TM）嵌入的多孔二维（2D）C2N单层的电子结构和磁性。 轻原子（如 B，C，N，O，F）吸附灰砷薄片，以及非金属原子，H，B，C，N，P，As，O，Se，Te，F，Cl和Br，掺杂的VS2单层。 结果显示出有趣的半导体、金属、半金属间的转变。 针对气体传感器应用，我们研究了普通气体分子CO，H2O，NH3，O2，NO和NO2在WSe2和锡单层上的吸附。 结果显示出有趣的半导体、金属、半金属间的转变，表明了这些材料在未来磁、电器件中的潜在应用。.另外，我们研究了砷-石墨烯范德华（vdW）异质结构，锡二硫属化物SnX2（X = S和Se）双层堆叠，双层石墨烯与SnS杂化异质结构的结构。发现了有趣的势垒高度、类型等特性随层间距、外部电场的转变，展示出有趣的应用前景。通过对各种氢钝化曲折氮化硼纳米带（ZBNNRs）和不同步长的阶梯状锯齿形石墨烯纳米带（ZGNR），BN原子链，四种类型的横向石墨烯/ h-BN纳米带异质结的输运特性研究。结果表明异质结显示出有趣的整流效应或显着的负微分电阻（NDR）效应。短BnNn + 1链存在明显的自旋极化效应，在低偏压下具有高自旋极化比（> 90％）。对于B和N修饰界面的铁/镁/铁磁隧道结，结果表明，B修改界面的隧道结中∆1通道电导保存完好，但自旋过滤效应降低，从而导致非常低的磁电阻值。N修饰界面具有明显的界面态的影响，改变了TMR输出偏压依赖性。