具有单一铁磁电极的磁性隧道结中的隧穿磁阻

磁性隧道结（MTJs）是自旋电子器件（如磁性随机存取存储器）的关键组件。通常，MTJs由被绝缘势垒层隔开的两个铁磁（FM）电极组成。其关键功能特性是隧穿磁阻（TMR），即当两个电极的磁化从平行变为反平行时MTJ电阻的变化。在此，我们证明只要对电极是支持自旋分裂能带结构和/或Néel自旋流的反铁磁（AFM）金属，TMR就能在具有单一FM电极的MTJs中发生。以RuO$_{2}$作为此类反铁磁体的代表例、CrO$_{2}$作为FM金属，我们设计了全金红石RuO$_{2}$/TiO$_{2}$/CrO$_{2}$ MTJs以揭示非零TMR。我们的第一性原理计算预测，CrO$_{2}$中的磁化反转显著改变了堆叠在（110）或（001）晶面上的MTJs的电导。在（110）取向MTJs中预测的约1000%的巨TMR效应源于CrO$_{2}$（110）和RuO$_{2}$（110）中依赖于自旋的导通通道，其匹配随CrO$_{2}$磁化方向而改变；而（001）取向MTJs中的TMR源于Néel自旋流以及两个磁亚晶格不同的有效TiO$_{2}$势垒厚度，后者可通过交替沉积TiO$_{2}$和CrO$_{2}$单原子层来调控。我们的结果证明了在单一FM电极MTJs中实现可观TMR的可能性，并为在功能自旋电子器件中使用交变磁体RuO$_{2}$提供了实用测试。