基于CrI3的磁隧穿结中磁阻的层数依赖行为【QuantumATK亮点文章】

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简介

磁隧穿结广泛应用于磁头、磁随机存储器等自旋电子学器件中,其磁电阻大小直接决定了器件的存储密度大小。基于二维磁性材料的磁隧穿结相比于传统的基于块体的磁隧穿结,由于具有表面平整无悬挂键等优点,在磁电阻上表现出明显的优势。目前实验上已经在以 2 层、3 层,4 层和 10 层 CrI3 为隧穿层的磁隧穿结中观测到了 310%、2000%、8600% 和 106 %的磁电阻,其中的最大值远远高于传统的基于 MgO 隧穿层的磁隧穿结(1000%)。因此,系统地研究基于二维磁性材料的磁隧穿结中磁电阻随层数的变化关系,将有助于突破目前磁隧穿密度的极限。基于此,北京大学吕劲研究员和杨金波教授课题组合作,采用第一性原理结合非平衡格林函数的方法,系统计算了以 2~12 层 CrI3 为隧穿层,以 Ag 为电极的磁隧穿结中的磁电阻变化,同时也探究了偏压、磁化方向等因素对磁电阻的影响。该研究结果为发展具有更高磁存储密度的低维自旋电子学器件提供了新的思路。

图1. CrI3晶格结构与不同层数和磁序下的能带结构

  CrI3是一种层内铁磁耦合,层间反铁磁耦合的二维范德华磁性半导体。由于层间耦合较弱,其自旋分辨的能隙随层数变化较小。在以Ag为电极,以CrI3为隧穿层的磁隧穿结中,铁磁态的电导远远高于反铁磁的电导,且铁磁态情形下能够获得接近100%的自旋极化率。铁磁态电导随层数呈现奇偶振荡的变化趋势,而反铁磁态的自旋极化率则随层数呈现奇偶振荡的趋势。

图2. Ag/2~12层CrI3/Ag磁隧穿结结构示意图;电导、自旋极化率随层数变化情况

作者发现,以Ag的电极的磁隧穿结的磁电阻在7层以下呈奇偶振荡的变化的趋势,在7层以上则是呈单调递增的趋势,在12层CrI3的器件中获得了高达109%的磁电阻。通过与以石墨为电极的磁隧穿结计算结果的对比,以及对投影局域态密度的分析,作者图1. CrI3晶格结构与不同层数和磁序下的能带结构发现由金属电极引起的邻近CrI3层的金属化是引起磁电阻奇偶振荡的原因。

图3. 不同磁隧穿结中磁电阻随层数变化情况
图4. 不同电极情况下自旋分辨的投影局域态密度(以4层CrI3为例)

总结

  本文利用QuantumATK软件,研究了基于二维CrI3的磁隧穿结的量子输运。研究发现,隧穿磁电阻与隧穿层层数大致呈正相关关系,计算获得了最高达到109%的磁电阻。另外,磁隧穿结中的金属电极是造成隧穿磁电阻振荡的关键。该工作证明了二维磁性材料在自旋电子学研究中的潜力,明确了层数对磁电阻的影响,对器件的实验实现具有指导意义。

参考文献

  B. Wu, J. Yang, R. Quhe, S. Liu, C. Yang, Q. Li, J. Ma, Y. Peng, S. Fang, J. Shi, J. Yang, J. Lu and H. Du, Scaling behavior of magnetoresistance with the layer number in CrI3 magnetic tunnel junctions, Phys. Rev. Applied 17, 034030 (2022).

 
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