【摘 要】
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多铁隧道结（multiferroic tunnel junctions,MFTJs）通常由两个磁性金属电极和中间的铁电绝缘材料构成。通过施加电压脉冲改变铁电势垒电极化状态,可以使MFTJs在低电阻态和高电阻态之间切换,这是隧穿电致电阻（TER）效应;通过改变两个铁磁电极的磁化排列方向,也可以使MFTJs在高低电阻态之间转变,这是隧穿磁电阻（TMR）效应。多铁性存储器是具有竞争力的下一代非易失存储器
【机 构】
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中国科学院大学(中国科学院物理研究所)
【出 处】
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中国科学院大学(中国科学院物理研究所)
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多铁隧道结（multiferroic tunnel junctions,MFTJs）通常由两个磁性金属电极和中间的铁电绝缘材料构成。通过施加电压脉冲改变铁电势垒电极化状态,可以使MFTJs在低电阻态和高电阻态之间切换,这是隧穿电致电阻（TER）效应;通过改变两个铁磁电极的磁化排列方向,也可以使MFTJs在高低电阻态之间转变,这是隧穿磁电阻（TMR）效应。多铁性存储器是具有竞争力的下一代非易失存储器之一,而MFTJs可用于多铁性存储器的核心存储单元。本论文的工作基于BaTiO3铁电势垒MFTJs的第一性原理（First-principles）计算,主要分为以下几个部分:（1）Co/BaTiO3/CoO/CoMFTJs输运性质的研究。为了数据读取方便、同时能获得高TMR和高TER效应,如何设计MFTJs是一个非常值得研究的课题。高TMR效应通常是通过有半金属特性的铁磁电极和有自旋过滤效应的势垒获得;而高TER效应一般可以通过非对称隧道结获得。我们选用对Δ1和Δ5对称性能带都是半金属的Co做电极,选用Δ1和Δ5对称性能带衰减较慢的BaTiO3（BTO）做势垒,理论上可以获得高TMR效应;并通过在Co和势垒BTO的一个界面处插入一层CoO,产生不对称,可以得到较高TER效应。通过第一性原理计算,如期得到了高TMR效应和TER效应,高TMR效应来源于势垒和电极的自旋过滤隧穿;高TER效应来源于电极化方向翻转对轨道重叠的调制。（2）Co/BaTiO3/CoO/CoMFTJs中铁电极化方向可翻转的金属性铁电势垒研究。金属性和铁电性的共存已经成为一个有趣但尚未投入实际应用的重要物理效应。因为自由电子的屏蔽作用会阻止电极化方向被外电场翻转,削弱了铁电性的价值;又因为这种铁电体的金属性通常通过掺杂获得,这种方式会导致体系的无序性,会对其他的电学性质产生不利的影响。在这个工作中,我们通过第一性原理计算预测了无掺杂的（Co2）9-TiO2-（BaO-TiO2）5-CoO-CoMFTJs中电极化方向可翻转的金属性铁电势垒。金属性铁电BTO的成因是:在简单金属/BTO/简单金属结构中,BTO以两个TiO2层为终端时,电极近邻效应会移动体系费米能级到BTO的导带底;同时由于界面CoO层相对于BTO有较大的电极化强度,导致在包含CoO界面区域的静电势下降比BTO区域的静电势下降的幅值大很多,这进一步把整个BTO区域的导带底都拉到了费米能级以下,使整个BTO全部具有了金属性。增加BTO相对于CoO的电极化强度,例如通过增加应力,或者减小CoO区域的电极化强度,能使体系中BTO的金属性部分消失,使BTO的电极化方向可以被外电场翻转。当电极化方向翻转之后,由于电极近邻效应BTO势垒的费米能级同样也离导带很近,但是它的费米能级仍然在带隙里面,保持了一个绝缘状态。我们发现这种两个电极化状态之间金属性-绝缘性BTO的转变可以出现在不同BTO势垒厚度的（Co2）9-TiO2-（BaO-TiO2）N-CoO-Co（N=4,5,6,7,8,9）结构中,并且可以产生一个非常大的TER效应。（3）在上述工作（2）的基础上,我们通过第一性原理计算了无掺杂的Co-（TiO2-BaO）5-CoMFTJs。当电极化方向从BaO-Co2界面指向Co2-TiO2界面时,整个BTO势垒出现了金属铁电性。金属性铁电BTO的成因是:界面BaO-Co2区域相对于BTO较大的电极化强度导致在BaO-Co2界面区域有非常大的静电势下降,把整个BTO区域的导带底拉到了费米能级以下,使整个BTO全部具有了金属性。增加BTO相对于BaO-Co2区域的电极化强度,或者减小BaO-Co2区域的电极化强度,能使体系中BTO的金属性消失,使BTO的电极化方向可以被外电场翻转。当电极化方向翻转之后,Co-（TiO2-BaO）5-Co体系的BTO是正常的绝缘状态。这种直接在隧道结中实现两个极化状态之间金属性-绝缘性BTO的转变对金属性铁电材料在信息存储技术方面的应用具有重要意义。（4）电场翻转Co/BTO界面Ti原子自旋极化率符号的研究。BTO的铁电极化方向翻转,可以调控Co/BTO界面Ti原子的自旋极化率在正值和负值之间转换。界面Ti原子的变化主要来源于Ti-3dxz 3dyz分别与Co1-3dxz（Co1与Ti原子在同一个xz平面）和Co2-3dyz（Co2与Ti原子在同一个yz平面）之间的轨道杂化。这一现象对电极材料、铁电势垒和界面终端都非常敏感。对称的Co/BTO/Co输运性质计算结果显示,两个Co电极反平行时隧道结的电阻比平行电阻小,即TMR为负值。说明对输运性质起主要作用的是界面Ti原子的自旋极化率。通过铁电极化方向调控Co/BaTiO3界面Ti原子的自旋极化率在正值和负值之间转换的方法,可以用于在MFTJs中实现电场调控和改变隧穿磁电阻的符号及幅值,该方法未来有望用于电场调控的非易失性信息存储和处理。
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