铱插层调控MgO基磁性多层膜自旋输运特性的第一性原理研究

本文通过第一性原理计算，系统研究了铱(Ir)插层对Ag|MgO|FM|Ir|Ag(FM=Fe/Co/FeCo)磁性多层膜自旋输运特性的调控作用。研究发现铱层厚度可显著改变隧道各向异性磁电阻(TAMR)的幅值和符号（Fe体系达74%正TAMR，FeCo体系达-9.0%负TAMR），该效应源于自旋轨道耦合(SOC)诱导的界面共振态重构，为重金属插层调控自旋电子器件性能提供了理论依据。

　　

Highlight

本研究采用第一性原理计算揭示了铱插层在Ag|MgO|FM|Ir|Ag磁性多层膜中对自旋输运特性的调控机制。

Computational methods

采用Ag|MgO|FM|Ir|Ag(FM=Fe/Co/FeCo)磁性多层膜模型（图1），其中铁磁层为体心立方(bcc)结构沿(001)方向生长。FeCo合金设定为50%原子浓度，左右电极均为非磁性Ag金属，通过在铁磁层与右电极间插入不同厚度的重金属Ir层（同时固定MgO和FM层厚度），系统研究自旋相关输运特性。

Results and discussion

在具有垂直磁各向异性的FeCo合金体系中，我们观察到Ag|MgO(3原子层)|FeCo(13原子层)|Ir(x原子层)|Ag结构的角相关电导特性（图2）。通过定义两种TAMR计算方案发现：当Ir插层达到特定厚度时，FeCo体系出现显著的负TAMR效应（约-9.0%），而Fe体系则呈现高达74%的正TAMR值。这种符号反转现象与界面处自旋轨道耦合(SOC)诱导的d_z2轨道共振态重构密切相关——SOC效应会选择性调制不同自旋通道的界面态密度分布，从而改变电子隧穿概率的角度依赖性。

Summary

本工作通过第一性原理计算证明：Ir插层厚度可精准调控MgO基磁性多层膜的TAMR行为，不仅能改变其幅值（如FeCo体系产生面外负TAMR，Fe体系产生面内正TAMR），还可实现符号反转。这种"磁电阻开关"效应源于重金属/铁磁体界面处SOC诱导的量子态重构，为设计新型自旋电子器件提供了重要理论指导。