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我院游龙教授团队在新型磁性隧道结的理论研究方面取得进展

编辑: 时间:2020-12-11 点击数:

2020年12月,华中科技大学光电信息学院游龙教授团队在Nano Letters上发表了题为“Van der Waals Multiferroic Tunnel Junctions”的理论研究论文(论文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c03452)。团队成员苏玉荣博士为该论文的第一编辑,团队负责人游龙教授、物理学院张佳副教授,以及美国内布拉斯加林肯大学的E.Y.Tsymbal教授共同引导了这项工作。

多铁隧道结(MFTJ)具有铁磁体/铁电体/铁磁体结构,同时具有隧穿磁电阻和电致电阻效应,在多阻态非易失信息存储等方面具有潜在的应用价值。然而,到目前为止,MFTJ都是采用钙钛矿氧化物材料作为铁电性势垒层,其电阻-面积乘积(RA)通常较大,范围从kΩ?μm2到MΩ?μm2,这限制了它们在实际器件中的应用。而利用最近发现的二维范德瓦尔斯(vdW)多铁性材料可以解决阻碍MFTJ器件应用的关键问题。

该研究团队使用第一性原理计算,研究了由二维铁磁FenGeTe2(n = 3, 4, 5)电极和二维铁电In2Se3势垒层组成的vdW MFTJ的自旋相关输运特性。证明了这种FemGeTe2/In2Se3/FenGeTe2(m, n = 3, 4, 5; m≠n) MFTJ表现出四个非易失性的电阻态,电阻由势垒层中铁电极化方向的翻转和两端铁磁磁化强度的相对取向来控制。这种MFTJ具有非常低的RA (小于1Ω?μm2),并且这些性能对于不同的二维铁电和铁磁材料结构具有鲁棒性。这使得所提出的vdW MFTJ在非易失性存储方面的应用潜力优于传统的钙钛矿氧化物基MFTJ。

图1(左)范德瓦尔斯磁性隧道结的原子结构和磁电阻及电致电阻效应示意图。(右)多重电阻态的RA与费米能级的关系。

该研究团队还利用第一性原理计算研究了基于反铁磁材料的新型隧穿磁电阻效应。利用电场控制磁化状态的改变,而不是通过磁场或电流调控实现磁电阻效应是设计低功耗自旋电子学器件更好的方法。团队提出了一种可用电场控制的反铁磁隧道结,其结构为压电衬底/Mn3Pt/SrTiO3/Pt,它是通过反铁磁Mn3Pt的磁结构相变来实现电阻的改变。通过理论计算研究所提出的反铁磁隧道结的输运特性,发现当Mn3Pt发生一级磁有序转变,从共线反铁磁状态(F相)转变为非共线反铁磁态(D相)时,磁电阻可以达到500 %以上。基于密度泛函计算的能带结构分析表明,大的隧穿磁电阻效应可归因于Mn3Pt的两个AFM相显著不同的费米面和SrTiO3隧穿势垒层的能带对称性过滤效应的共同作用。此外,除了单晶隧道势垒外,还讨论了非晶态AlOx作为势垒层的磁电阻效应。这些研究结果为AFM的有效的电学读写方法及其在低功耗磁性存储器中的应用开辟了一条新的途径。

图2 (a) Mn3Pt的原子结构以及非共线D相和共线F相反铁磁磁结构示意图。Pt原子为灰色,Mn原子为紫色。绿色箭头表示锰原子的磁矩方向。(b) 电场调控下,Mn3Pt/SrTiO3/Pt隧道结的读写工作原理示意图。

这项工作在Physics Review Applied期刊发表(Phys. Rev. Applied12, 044036 (2019)),题目为“Magnetoresistance in an Electric-Field-Controlled Antiferromagnetic Tunnel Junction”。团队成员苏玉荣博士为该论文的第一编辑,团队负责人游龙教授、物理学院张佳副教授为共同通讯编辑。

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