磁性与自旋电子学研究案例集(三)

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用 Y 位原子替代 Heusler 晶格实现自旋阀的巨磁电阻

”全Heusler”自旋阀由两个半金属 Heusler 电极和一个非磁性 Heusler 隔断构成,其中包含两个对磁电阻有重要影响的界面。为了减少界面无序度,保护电极在同一区域的半金属性,作者提出了一种方案,通过替换半金属Heusler电极中的Y位原子来构建自旋阀,以获得基于 Slater–Pauling 规则的相应非磁性隔断结构。这样,可以自然地确保两种材料的晶格和带匹配。以 Co2FeAl 为电极,Co2ScAl 为间隔材料,构建了Co2FeAl/Co2ScAl/Co2FeAl(001)自旋阀。基于第一性原理计算,从声子谱和形成能两方面确定了当间隔基 Co2ScAl 生长在电极材料 Co2FeAl 终止的(001)表面时,FeAl/CoCo 界面最稳定。通过将界面原子的投影态密度与体电极材料的相应态密度进行比较,只有Al的自旋上升态值在置换前后从 0.17 态/原子/eV变为 0.06 态/原子/eV,界面处的半金属丰度保持不变。结果表明,自旋相关的输运性质显示出显著的理论磁电阻 MRop,可以达到1010%,远大于以前报道的106%。(Zhang, Lei, Binyuan Zhang, Liwei Jiang, and Yisong Zheng. “Giant magnetoresistance in spin valves realized by substituting Y-site atoms in Heusler lattice.” Journal of Physics: Condensed Matter 34, no. 20 (2022): 204003. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-648X/ac5779/meta

基于边缘不对称双氢化锯齿形SiC纳米带异质结的多功能自旋电子器件

作者提出了一种通过边缘不对称双重氢化研究锯齿形 SiC 纳米带(zSiCNR)异质结的自旋分辨输运特性来获得多功能自旋电子器件的方法。自旋分辨能带结构表明,在铁磁场存在的情况下,边缘 C 或 Si 原子的双重加氢都可以改变原始 zSiCNR 的初始金属丰度,而边缘C或Si原子的单一加氢则可以改变原始 zSiCNR 的初始金属丰度。zSiCNR 异质结的自旋分辨电流-电压特性表明,在平行磁场下,自旋电流在相同的整流方向上发生整流。作者的结的上自旋整流比在 −0.5 V 时可以接近 1013,远大于此前由反平行磁场诱导结的整流比。在反平行磁场作用下,zSiCNR 异质结在正负偏压区均表现出良好的自旋滤波性能,自旋滤波效率为 100%。更有趣的是,zSiCNR 异质结是通过在 0.5 V 下操纵外磁场实现磁电阻的,巨磁电阻比为 5000%。因此,通过边缘不对称双重氢化的 zSiCNR 异质结可以设计成多功能自旋电子器件,在未来的自旋电子领域具有广阔的应用前景。(Cui, Xing-Qian, Jia-Jin Li, Qian Liu, Dan Wu, Hai-Qing Xie, Zhi-Qiang Fan, and Zhen-Hua Zhang. “Multifunctional spintronic device based on zigzag SiC nanoribbon heterojunction via edge asymmetric dual-hydrogenation.” Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures 138 (2022): 115098. https://doi.org/10.1016/j.physe.2021.115098

分子/铁磁体表面杂化界面态的自旋极化隧穿

基于密度泛函理论和非平衡格林函数方法,通过引入顶部探针电极,研究了苯/镍表面杂化界面态的自旋极化和输运能力。结果表明,当顶电极连接不同位置的分子时,投影态密度的自旋极化和界面自旋密度分布会受到不同方式的干扰。在费米能量下,观察到了接触场诱导的自旋极化反转。输运计算表明,中心接触有利于在低偏压下获得较大的隧穿磁电阻,而边缘和顶部接触有利于获得稍大的电流自旋极化。这项工作指出,分子结中杂化界面态的自旋极化和输运性质取决于引入第二探针电极的方式,第二探针电极可以适当设计以实现优异性能。(Cao, Zhipeng, Yuanyuan Miao, Shuai Qiu, Guangping Zhang, Junfeng Ren, Chuankui Wang, Guichao Hu, and Lina Zhao. “Site-dependent spin-polarized tunneling via hybrid interface states on molecule/ferromagnet surface.” Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures 138 (2022): 115071. https://doi.org/10.1016/j.physe.2021.115071

连接方式对TPV自由基分子器件自旋极化输运的影响

利用第一性原理输运计算方法,研究了 1,3,5-三苯基二叠氮基(TPV)自由基分子器件在不同连接方式下的自旋极化输运特性。结果表明,采用联动模式调制可以实现高自旋极化电流。从分子磁矩、透射谱、分子投影自洽哈密顿(MPSH)轨道能级与费米能级的对齐、MPSH 轨道的空间分布以及透射峰和 MPSH 轨道能级随偏压的移动等方面对结果进行了分析。发现将有助于开发高性能分子自旋电子器件。(Li, Yi-Fan, Peng Zhao, Zhen Xu, and Gang Chen. “Effect of linkage mode on the spin-polarized transport of a TPV radical-based molecular device.” Chemical Physics Letters (2022): 139515. https://doi.org/10.1016/j.cplett.2022.139515

原子薄层 VSi2N4/MoSi2N4/VSi2N4 磁隧道结中的巨隧穿磁电阻

层状 MSi2N4(M¼ 过渡金属)具有丰富的电磁学性质和环境稳定性,近年来备受关注。以铁磁 VSi2N4 单分子膜为电极,半导体 MoSi2N4 单分子膜为隧道势垒,从理论上提出了一种原子薄层VSi2N4/MoSi2N4/VSi2N4 磁性隧道结(MTJ)。我们的计算结果表明,MTJ 具有高达 1010%的巨隧穿磁电阻(TMR)和近乎完美(100%)的自旋注入效率(SIE)。我们的非平衡格林函数计算表明,TMR 和 SIE 在 -100 mV 到 100 mV 的有限偏置电压下是健壮的。这些结果表明,层状 MSi2N4 是设计具有巨大 TMR 的原子薄MTJ的有希望的材料,可用于未来的自旋电子应用。(Wu, Qingyun, and Lay Kee Ang. “Giant tunneling magnetoresistance in atomically thin VSi2N4/MoSi2N4/VSi2N4 magnetic tunnel junction.” Applied Physics Letters 120, no. 2 (2022): 022401. https://doi.org/10.1063/5.0075046


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