宽禁带科技论|基于非平衡格林函数计算揭示β-Ga2O3磁性隧道结输运特性
宽禁带科技论
Theory of Wide Bandgap Semiconductor
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近日，南京邮电大学集成电路科学与工程学院唐为华课题组的研究人员基于非平衡格林函数计算方法，预测了基于β-Ga2O3的磁性隧道结，在不同铁磁层与不同绝缘层厚度条件下的自旋输运行为，得到了这一体系的自旋极化率与隧穿磁阻(TMR)，并发现可能存在随层数变化而振荡的自旋输运特性。这为拓展氧化镓在自旋电子学领域的应用开辟了一条新颖的途径。
作者使用β-Ga2O3单晶中具有潜在易剥离特性的(100)晶面作为组成磁性隧道结的绝缘层，并采用了Fe，Mn，Ni作为铁磁层。在不同铁磁层条件下，磁性隧道结获得了不同的自旋分辨自旋隧穿势垒，如图1所示。可见平行态下Fe与Mn作为铁磁层时不同自旋方向的隧穿势垒差异较大，其TMR分别达到64%与225%。
图1 (a)自旋分辨的单层β-Ga2O3 MTJs中Fe、Ni和Mn作为铁磁层沿输运方向PLDOS。反平行态(b)和平行态(c)下不同自旋方向的电子隧穿过程示意图。
图2举例展示了随Fe/(100) β-Ga2O3/Fe绝缘层层数变化的透射系数，自旋极化率与TMR。可见这一体系的自旋输运特性随着层数的变化将发生层数奇偶依赖性的振荡，在偶数时TMR位于极小值，奇数时TMR位于极大值，同时在5层时，实现了理论最大为1077%的TMR。这一现象的来源可能是如图3所示的，该体系内主要由氧原子贡献的自旋分辨层状隧道势垒。在奇数层时，形成了偶数层隧道势垒，在偶数层时实现了奇数隧道势垒。通过Wenzel–Kramers–Brillouin近似证明了，不同层之间，势垒的交换相互作用互相叠加与抵消，最终导致TMR的奇偶性振荡。
图2 (a)平行和(b)反平行态的与厚度相关的自旋分辨传输系数；Fe/β-Ga2O3/Fe MTJ的(c)自旋极化和(d)隧道磁阻。
图3 2-5层β-Ga2O3 MTJs的(a)-(d)自旋向上和(e)-(f)自旋向下电子的反平行状态下的PLDOS。白色虚线和黑色虚线分别表示近似的层内隧道势垒和层间隧道势垒。
此外，还进一步计算了β-Ga2O3 MTJ体系在非平衡态下的电流与输运特性，如图4所示。可以看到，随着电压的上升，隧穿电流出现了显著的非线性变化，并导致TMR的骤降与波动，预测了该TMR体系的合适工作范围为0~20mV。这一现象可能是由偏压导致的较高电子能量与自旋翻转等导致的。
图4 (a) 平行和(b) 反平行态的自旋分辨电流，平行和反平行态的(c)自旋极化，以及 (d)TMR。
团队介绍
唐为华
南京邮电大学集成电路科学与工程学院（产教融合学院）教授、博士生导师，我国宽禁带半导体氧化镓材料与器件领域的领军人物之一。主持包括国家重点研发计划课题、国家自然科学基金重点项目、北京市科技计划专项、江苏省双创团队项目等国家级省部级重大重点课题二十余项。在国内外重要学术杂志上发表SCI收录论文400多篇，享受国务院政府特殊津贴，入选国家“新世纪百千万人才工程”、中国科学院“百人计划”，江苏省“双创人才”，江苏省“双创团队”领军人才，获北京市科学技术一等奖和二等奖。
刘增
内蒙古大学电子信息工程学院研究员、硕导，入选内蒙古大学骏马计划高层次人才引进计划。主要从事宽禁带半导体光电器件与物理的研究。主持或参与国家重点研发计划、国家自然科学基金委联合重点项目/青年基金项目等。在Applied Physics Letters, IEEE Electron Device Letters, IEEE Transactions on Electron Devices, IEEE Photonics Technology Letters, The Journal of Physical Chemistry Letters, Cell Reports Physical Science, Advanced Optical Materials, Optics Letters, Journal of Physics D, Journal of Applied Physics等期刊上发表50余篇论文。
文章信息
Layer-number parity-dependent oscillatory spin transport in β-Ga2O3 magnetic tunnel junctions
Sihan Yan; Zeng Liu; Shan Li; Chee-Keong Tan; Jia-Han Zhang; Yufeng Guo; Weihua Tang
Appl. Phys. Lett. 124, 152405 (2024)
https://doi.org/10.1063/5.0189510
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