反铁磁Cr插入层对CoFe/MgO/CoFe磁性隧道结的隧穿磁电阻的影响

初 冰， 卞宝安， 吴亚敏

(江南大学理学院， 无锡 214122)

反铁磁Cr插入层对CoFe/MgO/CoFe磁性隧道结的隧穿磁电阻的影响

初 冰， 卞宝安， 吴亚敏

(江南大学理学院， 无锡 214122)

利用基于密度泛函理论和非平衡态格林函数的第一性原理计算研究了CoFe/MgO/CoFe磁性隧道结的隧穿磁电阻效应.给出了该隧道结隧穿磁电阻与偏压的依赖关系，并计算了平行结构与反平行结构相应的I-V特性曲线和传输谱.通过在一侧电极与势垒层之间插入反铁磁金属Cr层，观察到了隧穿磁电阻、电导随插入层Cr层数增加发生衰减和2个原子层周期的振荡现象，这主要是由于Cr拥有反铁磁结构，在Cr/ MgO界面形成了与Cr磁矩取向相关的界面散射.

磁性隧道结; 隧穿磁电阻; 第一性原理计算; 反铁磁Cr

1 引 言

1975年，法国学者Jullier[1]首先在Fe/Ge/Co磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junction, MTJ)中观察到了低温下的隧穿磁电阻(Tunneling Magnetoresistance, TMR)效应.但由于观察到的隧穿磁电阻很小以及当时实验室暂不具备纳米加工的实验条件，因此近20年时间里隧穿磁电阻效应并没有获得太多关注.直至1995年，Miyazaki等[2]在氧化铝磁性隧道结中发现了达18%的室温隧穿磁电阻，这一效应才引起了充分重视.2001年，Bulter等[3]所在的工作小组利用第一性原理计算预言在Fe/MgO/Fe磁性隧道结中会出现大于1000%的隧穿磁电阻.随后，美国IBM公司的Parkin研究小组[4]利用磁控溅射方法制备了MgO势垒磁性隧道结，获得了室温高达220%的隧穿磁电阻.Yuasa等[5]也利用分子外延方法制备了Fe/MgO/Fe磁性隧道结，并得到了室温下达180%的隧穿磁电阻.实验证明，MgO势垒对△1对称性的电子具有自旋过滤作用，可以产生巨大的隧穿磁电阻.近年来，MgO势垒磁性隧道结的研究取得了飞速进展[6-8]，被广泛应用于自旋电子学器件领域中，例如磁性随机存储器(Magnetic Random Access Memory, MRAM)[9]、磁性传感器(Magnetic Sensors)[10]、计算机硬盘磁读头(Magnetic Read Head in Hard Drive Disk)和新型可编程磁逻辑单元(Novel Programmalble Magnetic Logical Unit)等.

人们进行大量实验和理论分析想要进一步提高磁性隧道结的隧穿磁电阻效应，一个简便有效的方法就是在铁磁电极与绝缘层之间插入金属插层，这不仅会影响自旋隧穿过程，也可以优化磁性隧道结的性能.插入层作为散射层，影响隧穿过程.插入层也可以调节铁磁电极与势垒层间的界面性质，例如界面共振态.2002年，Yuasa等[11]人利用分子束外延法制备出含有非磁性Cu插入层的磁性隧道结，并观察到隧穿磁电阻随Cu层厚度变化发生振荡现象.2005年，Nagaham等[12]人实验得到了FeCo/Al-O/Cr/Fe磁性隧道结，随着反铁磁插入层Cr层厚度的增加，TMR表现出两层周期振荡.2009年，一系列文献报道了在Fe/MgO/Fe磁性隧道结中插入Ag[13]和V[14]，经过第一性原理计算，发现隧穿磁电阻效应得到加强.

显然，金属插入层对于磁性隧道结的隧穿磁电阻影响很大，是近年来自旋电子学领域研究的热点之一.本文利用密度泛函理论和非平衡态格林函数，通过第一性原理计算分析反铁磁性插入层Cr对CoFe/MgO/CoFe(001)磁性隧道结的隧穿磁电阻效应.

2 模型与计算方法

本文通过使用ATK软件[15]，利用密度泛函理论(Density Functional Theory, DFT)和非平衡态格林函数(Non-Equilibrium Green Function, NEGF)，进行第一性原理计算来研究磁性隧道结的隧穿磁电阻效应.计算时，交互相关函数采用局域自旋密度近似(Local Spin-Density Approximation, LSDA).考虑到计算速度与结果精度，Co、Fe、Cr原子的波函数设置为(Single Zeta Polarized, SZP)，其它原子的波函数设置为(Double Zeta Polarized, DZP)，设置k点网格为3×3×100，网格边界为150 Ryd，自其计算中设置迭代控制参数公差为0.0001，温度设置为1200 K.

在建立模型的过程中，采用6层CoFe电极作为磁性隧道结的左右电极，中间桥接着5层MgO绝缘势垒层，左(右)电极距离中间势垒层距离为1.8(1.9)Å，如图1(a)所示.插入层Cr从0到10层发生变化，距离左电极和中间势垒层均为1.8 Å，图1(b)显示了插入6层Cr的磁性隧道结结构.

图1 (a) CoFe/MgO/CoFe磁性隧道结结构，(b) 插入6层Cr的CoFe/MgO/CoFe磁性隧道结结构Fig. 1 (a) Structure of CoFe/MgO/CoFe MTJ, (b) structure of CoFe/MgO/CoFe MTJ with 6-layer Cr

3 结果与分析

隧穿磁电阻效应源自于电极中自旋极化电子通过势垒层的隧穿过程[3]，它的定义为TMR=(GP-GAP)/GAP，其中GP、GAP分别代表两电极平行与反平行时的隧穿电导.根据上述公式计算了CoFe/MgO/CoFe磁性隧道结随偏压变化的隧穿磁电阻效应，如图2所示.从图中可以看出，随着偏压绝对值的增大，TMR呈现衰减现象，而反向偏压引起隧道结的TMR变化急剧，正向偏压引起隧道结的TMR变化缓慢.且在小范围偏压内，CoFe/MgO/CoFe磁性隧道结的TMR变化幅度很小，随着偏压范围扩大，TMR变化幅度变大.

图2 随偏压变化CoFe/MgO/CoFe磁性隧道结的隧穿磁电阻Fig. 2 TMR effect of CoFe/MgO/CoFe MTJ with growing bias voltage

TMR随外加偏压的增加而下降，从TMR的定义公式可以推测出磁性隧道结中反平行态隧穿电导GAP随电压的变化幅度大于平形态电导GP的变化幅度.Zhang等[16]人利用磁子激发理论来解释TMR的电压依赖特性，他们认为磁激子在铁磁电极与势垒层界面处激发引起了非弹性散射，使得TMR随偏压增加而减小.当有外加偏压时，电子通常带有高于铁磁电极费米能级的能量从一个铁磁电极隧穿到另一个铁磁电极，并且这些电子通过激发一个磁子来释放能量，同时伴随着自旋翻转，当偏压增大，更多的电子发生自旋翻转，从而降低了TMR.

图3给出了两电极磁化方向平行与反平行时的I-V特性曲线，其中包括自旋向上的电流(方形符号表示)、自旋向下的电流(圆形符号表示)、总电流(三角符号表示).可以看出，当两电极磁化方向平行时，在整个偏压变化过程中，自旋向下的电流数量级很小(小于10-13)，几乎对总电流不起作用，而自旋向上的电流数量级要高很多，几乎代表了总电流.所以，对于平行结构，随偏压变化时，自旋向上电子的隧穿起决定作用.而对于反平行结构，当偏压为负向偏压时，自旋向下的电流数值较小，自旋向上的电流数值较大，对总电流贡献较大；当偏压为正向偏压时，反而自旋向上的电流数值较小，自旋向下的电流数值较大，对总电流贡献较大.

相应地，图4给出了平行结构与反平行结构的电子传输谱.显而易见，费米能级附近，偏压变化对传输谱的影响很小.当能量大于0.5 eV, 平行结构的传输概率大于反平行结构.这与I-V结果是一致的.

图3 CoFe/MgO/CoFe磁性隧道结的I-V曲线 Fig. 3 I-V curves of CoFe/MgO/CoFe MTJ

图4 不同偏压下CoFe/MgO/CoFe磁性隧道结的传输谱Fig. 4 Transmission spectra of CoFe/MgO/CoFe MTJ at various bias voltages

图5 偏压为0 mV、100 mV和200 mV时隧穿磁电阻随插入层Cr层数增加的曲线Fig. 5 TMR effect as Cr interlayer increases at bias voltages of 0 mV, 100 mV, 200 mV

图5为TMR随Cr层增加的变化曲线.从图中可以看出，零偏压下，随Cr层厚度增加，TMR发生振荡和多次反转，且幅度越来越小.当Cr层为1层时，TMR急速增加并达到峰值86056.23%，紧接着，TMR迅速降低.在Cr层层数介于0到5层之间时，TMR逐层上下波动，但均为正值.当Cr层增加到6层时，TMR开始出现负值，且在Cr层层数大于5层后，可以看到TMR在正负值之间交替振荡.

为了解释上述隧穿磁电阻效应，计算了零偏压下随Cr层变化时磁性隧道结平形态电导GP与反平行态电导GAP，结果如图6所示.整体来看，GAP随Cr层增加波动幅度变化不大，而GP在Cr层超过2层后开始衰减并趋于平缓.当Cr层厚度增加到1层时，平形态电导GP急速上升达到峰值,而GAP没有变化，此时，GP与GAP之间差距最大，致使TMR阻值最大.当Cr层增加到2层时，GP急速下降，GAP缓慢下降，这也导致了TMR阻值的迅速衰减.在Cr层位于0-5层时，GP总是大于GAP，所以TMR总为正值.当Cr层位于5-10层时，相邻两层的GP与GAP交替变化，对于平形态电导GP，在奇数层较大，偶数层较小，反平态电导GAP正好与之相反，这就导致了TMR在正负值之间交替振荡.

图6 零偏压下平行结构与反平行结构的电导随Cr层增加的变化曲线Fig. 6 Parallel and antiparallel conductance as Cr interlayer increases at 0 bias voltage

可以通过隧穿电子的隧穿概率来解释电导的衰减与振荡.CoFe电极中自旋极化的△1能带是MgO势垒磁性隧道结隧穿磁电阻的主要原因[3]，因此，具有△1对称性的电子为主要隧穿电子.图7(8)为零偏压下当两电极磁化平行时，Cr插入层从1层增加到8层时，磁性隧道结中具有△1对称性自旋向上(下)电子的隧穿概率分布.可以清楚地看到，一开始随着Cr层层数的增加，自旋向上电子的隧穿概率急剧下降，当Cr层大于4层时，自旋向上电子的隧穿概率衰减幅度降低.因此平行态电导GP的衰减主要是由于自旋向上电子隧穿概率的降低.因为插入层Cr在费米能级处没有△1能带，所以Cr对于具有△1对称性的隧穿电子是有效势垒[17]，而图7恰好显示了平行状态下自旋向上电子的隧穿概率随Cr层的增加急剧衰减且四到五个原子层的Cr插入层几乎可以完全抑制△1对称性电子的隧穿.而自旋向下电子的隧穿概率随Cr层变化上下波动，且隧穿概率值一直很小(数量级小于10-8)，即自旋向下的隧穿电子数很少，对平形态电导GP数值贡献不大但导致了平形态电导GP的振荡.同样地，通过计算随Cr层变化反平行态自旋向上电子与自旋向下电子的隧穿概率发现，当两电极磁化方向成反平行态时，自旋向上电子和自旋向下电子的隧穿概率均不大，且均随Cr层上下波动，所以反平行态电导GAP数值很小且发生振荡现象.

同样地，计算了100 mV和200 mV偏压下的TMR与插入层Cr的依赖关系，如图5所示.整体来看，TMR随插入层Cr层数增加的整体走向趋势不变，但波动幅度随偏压增大相对减弱.并且当插入层Cr超过4层时，不同偏压下的TMR都表现出周期为2层的振荡现象，可以看出偏压对TMR的振荡周期没有影响.Yuasa等[11]提出如果TMR振荡起源于隧道结中的反铁磁结构，那么振荡周期不会随偏压发生变化.Nagahama等[12]也通过实验证明2层周期的TMR源自于Cr的层间反铁磁序.并且，Zhang等[17]人通过理论计算表明插入层Cr的反铁磁性质将引起TMR和电导的振荡.因此，我们认为目前的CoFe/Cr/MgO/CoFe磁性隧道结因Cr层增加而引起周期为2个原子层的TMR和电导振荡现象是因为Cr具有反铁磁结构.对于不同厚度的Cr插入层，右侧CoFe电极和MgO势垒中隧穿电子的透射概率不变，而在左侧CoFe/Cr界面却差别很大.因为Cr具有反铁磁层结构，所以左侧CoFe电极的磁化方向反平行耦合于CoFe/Cr界面的Cr层，紧接相邻的Cr插入层的磁化方向随插入层层数增加依次交互更替变化.对于所在插入层层数为偶数的Cr层，它们的磁化方向平行于左侧CoFe电极，对于所在插入层层数为奇数的Cr层，它们的磁化方向反平行于左侧的CoFe电极.当插入层为偶数时，Cr/MgO界面处Cr磁化方向与左侧CoFe电极平行，隧穿电子在界面处发生界面散射小，因此透射率较高；当插入层为奇数时，Cr/MgO界面处Cr磁化方向与左侧CoFe电极反平行，隧穿电子在界面处发生界面散射大，因此透射率较低.这说明了与Cr磁矩相关交替变化的界面散射造成了TMR和电导发生2层周期的振动现象.

图7 平行状态下，Cr插入层位于1-8层之间，自旋向上电子的隧穿概率分布图Fig.7 Probability distribution of up-spin electrons with 1-8 Cr interlayer for parallel configuration

图8 平行状态下，Cr插入层位于1-8层之间，自旋向下电子的隧穿概率分布图Fig.8 Probability distribution of down-spin electrons with 1-8 Cr interlayer for parallel configuration

4 结 论

我们利用基于密度泛函理论和非平衡态格林函数的第一性原理计算研究了CoFe/MgO/CoFe磁性隧道结的隧穿磁电阻效应.从TMR与偏压的依赖关系曲线可以看出随着偏压数值增加，TMR减小且幅度递减.通过平行结构与反平行结构相应的I-V特性曲线，观察到对于平行结构，自旋向上电子起主要作用，而对于反平行结构，在负值偏压范围内，自旋向上电流占主导，在正值偏压范围内，自旋向下电流占主导.通过在电极与势垒层之间插入Cr层引起了隧穿磁电阻和电导的衰减和周期为2个原子层的振荡.在Cr/MgO界面形成了与Cr磁矩取向相关的界面散射，Cr的层间反铁磁结构是TMR和电导发生振荡的关键.研究表明，反铁磁Cr层的插入可以引起TMR变化，对磁性隧道结在自旋电子学领域的应用提供了一定的参考.

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Effect of antiferromagnetic Cr layer on tunneling magnetoresistance of CoFe/MgO/CoFe magnetic tunnel junction

CHU Bing, BIAN Bao-An, WU Ya-Min

( School of Science, Jiangnan University, Wuxi 214122, China)

We carried out the first-principles calculations based on density functional theory (DFT) and non-equilibrium Green function (NEGF) to investigate the tunneling magnetoresistance (TMR) effect in CoFe/MgO/CoFe magnetic tunnel junctions. The TMR dependence on bias voltage was displayed and corresponding I-V curves and transmission spectra with parallel and antiparallel alighnment were also provided. By inserting antiferromagnetic Cr layer between one electrode and the barrier, the decay and 2-layer-period oscillation phenomenon in TMR ratio were found. This effect is attributed to the interface scattering on Cr/MgO interface related to Cr magnetic orientation which is arisen by the antiferromagnetic ordering of Cr layer.

Magnetic tunnel junction; Tunneling magnetoresistance; First-principles calculations; Antiferromagnetic Cr

国家自然科学基金资助项目(11005050)

初冰(1989—)，女，山东烟台人，硕士研究生，主要研究方向为光电材料与器件.

卞宝安. E-mail: baoanbian@163.com

103969/j.issn.1000-0364.2015.10.022

O471.1

A

1000-0364(2015)05-0853-06

投稿日期: 2014-07-24