经验修正密度泛函理论下以铁基电极为引线的 MgO 隧道结中的隧穿磁阻

在密度泛函理论 (DFT) 中，少数自旋 Fe/MgO 界面态位于费米能级，但实验证据和 GW 计算将其置于略高的能量处。这种微小的移动会强烈影响具有薄 MgO 势垒的隧道结中的隧穿磁阻 (TMR) 及其对电极中 Co 浓度的依赖性。在此，引入了对 DFT 的经验势修正，以将界面态上移至与隧道谱数据相匹配。通过这种移动，在 3 和 4 个单层 (ML) 的 MgO 下，Fe/MgO/Fe 隧道结中的 TMR 分别超过 800% 和 3000%。我们进一步考虑了用高达 30% 的 Co 或 10% 的 V 对 Fe 电极进行合金化的效应，并在相干势近似 (CPA) 中对它们进行处理。与 Co 合金化使界面态展宽，并将大量非相干的少数自旋谱权重带到费米能级。与 V 合金化使少数自旋共振态接近费米能级。然而，在这两种情况下，费米能级处的少数自旋谱权重主要位于布里渊区边缘，这有利于自旋过滤。利用在 CPA 中计算出的 $\mathbf{k}_\parallel$ 分辨的势垒态密度的卷积，发现与 Co 或 V 合金化会强烈降低 TMR，但在 4 ML 的 MgO 且 Co 含量高达 30% 或 V 含量为 5% 的情况下，TMR 仍保持在 500% 以上。在 5 ML 时，所考虑的所有系统中的 TMR 均增至 1000% 以上。另一方面，虽然在使用纯 Fe 电极的磁性隧道结 (MTJ) 中，TMR 随偏压增加至 0.2 eV 而急剧下降，但如果电极与 Co 形成合金，则其偏压在高达 0.5 eV 时仍几乎保持恒定。