基于激发电子传输的六方氮化硼-石墨烯异质结构 MTJ 的高磁电阻

本工作对夹在 Ni(111) 层之间的几层六方氮化硼（hBN）及 hBN-石墨烯异质结构进行了第一性原理研究。本研究旨在理解通过界面的电子传输过程。对 Ni(111)/$n$hBN/Ni(111)（$n$ = 2、3、4 和 5）以及 Ni(111)/hBN-Gr-hBN/Ni(111) 进行了自旋极化密度泛函理论计算与透射概率计算。考虑了反平行构型（APC）与平行构型（PC）磁排列的 slab。发现 Ni slab 与 hBN 之间上下两界面的 pd 杂化稳定了体系。发现 Ni/nhBN/Ni 磁隧道结（MTJ）在 $n$ = 2 时约 0.28 eV、$n$ > 2 时约 0.34 eV 处呈现高隧穿磁电阻（TMR）比，该能量略高于费米能。观测到的该高 TMR 比的移动源于电子通过界面处 Ni 原子 $d_{z^2}$ 轨道（与 N 原子 $p_z$ 轨道杂化）表面态的传输。在 $n$ > 2 情形下，邻近效应导致倏逝波，有助于降低透射概率但提高 TMR 比。然而，通过将 Ni/3hBN/Ni MTJ 中未杂化的 hBN 层替换为石墨烯，从而成为 Ni/hBN-Gr-hBN/Ni，发现 TMR 比与透射概率均增大。在 0.34 eV 能量处观测到高达约 1200% 的 TMR 比，高于费米能。此外，提出了一种基于在费米能级以上紧邻处观测到的高 TMR 的新读取机制的器件设计。