Co/AlP/Co 与 Co/GaN/Co 作为磁性隧道结的研究

AlP 和 GaN 是宽禁带半导体（SC），在光电子工业中用作发光二极管。本文将其作为磁性隧道结中绝缘势垒的未来候选材料进行研究。我们采用密度泛函理论计算基态电子性质，采用非平衡格林函数方法研究量子输运，并考察了 Co/AlP/Co 和 Co/GaN/Co 磁性隧道结（MTJ）。我们发现 AlP 和 GaN 的价带最大值主要由 $p_z$ 型轨道构成，而导带最小值具有 $s$ 型对称性。我们发现 AlP 和 GaN 在 $\Gamma$ 点处均过滤 Bloch 态的 $\Delta_1$ 对称性，且在材料带隙内任意能级处的透射系数主要由经由第一布里渊区中 $\Gamma$ 点隧穿的 Bloch 态的 $\Delta_1$ 对称性驱动。我们发现 Co/AlP/Co 磁性隧道结在零偏压下具有约 300% 的磁电阻。在 Co/GaN/Co 磁性隧道结中，我们在费米能量下方 1.25 eV（$(E_{F}-1.25)$~eV）处发现约 300% 的 TMR，而在零偏压计算中 $E_F$ 附近约为 10% 的 TMR。我们注意到，在 Co[0001]/AlP[0001] 磁性隧道结中，具有相当不同 $spd$ 轨道组成的多数和少数 $\Delta_{2'}$ 对称性 Bloch 态均发生隧穿并呈现非零 TMR；而在 Co[111]/GaN[0001] 磁性隧道结中，具有不同能量梯度的多数和少数 $\Delta_1$ 对称性 Bloch 态沿 [111] 输运方向在费米能级处隧穿。我们的工作强调了一种系统、高效、准确且通用的框架，用于设计基于半导体的磁性隧道结以服务于低功耗电子器件。