天津大學米文博課題組:有機鈣鈦礦磁隧道結自旋輸運性質研究

2020-11-27 騰訊網

||引 言

電子既有電荷屬性又有自旋屬性。以電子電荷為基礎的微電子學在20世紀取得了巨大的成功,但是在傳統的微電子器件中,電子的自旋卻一直被人們所忽視,電子只被看成電荷的載體,不同數目的電子或者空穴豐富了半導體材料的輸運特性。巨磁電阻和隧穿磁電阻效應的發現引發了磁存儲和磁記錄領域的革命,並由此產生了圍繞電子自旋的控制、輸運、測量等的一門全新的學科--自旋電子學。與傳統的半導體相比,有機半導體具有豐富的電學和光學特性以及品種多,易加工,低成本等特點,並且已經在有機發光器件或顯示器等方面取得了很大的成功。由於自旋-軌道耦合相互作用比較弱,有機半導體成為自旋輸運的最佳候選材料。研究有機半導體內的自旋注入和輸運對進一步理解有機半導體的物理性質,探討其在自旋電子學中的功能和應用具有重要的科學意義。

本文將研究LSMO/T4/LSMO和Co/T4/LSMO有機磁隧道結(OMTJs)在自旋電子器件的應用。利用密度泛函理論和非平衡格林函數方法研究了界面相互作用及界面微觀接觸構型對自旋輸運特性的影響和光控下的自旋極化電流。計算結果表明有機分子和鐵磁性材料之間的界面是影響自旋器件性能的關鍵。

||成 果 簡 介

天津大學米文博教授課題組(第一作者:韓雪飛)採用基於非平衡格林函數-密度泛函理論(NEGF-DFT)的第一性原理軟體Nanodcal研究了LSMO/T4/LSMO和Co/T4/LSMOOMTJs自旋相關的輸運及其光調製特性。對於具有很大的自旋極化率的界面,其隧穿磁電阻也很大,而相對較小的自旋極化率的界面導致隧穿磁電阻的減小。這兩種OMTJs結構,均具有大的自旋注入效率。具體地,Co/T4/LSMO OMTJ的兩個鐵磁電極的磁化對準可以控制兩個導電自旋通道的切換。通過光照射LSMO/T4/LSMO OMTJ中的T4分子,我們發現:對於平行磁化配置,產生了完全自旋極化的光電流;對於反平行磁化配置,表現出自旋電池的特性。這些結果有助於理解自旋輸運特性和設計多功能的有機自旋電子器件。

||圖 文 導 讀

圖1(a)塊體LSMO和T4/LSMO的原子結構;(b)塊體LSMO的能帶和態密度;(c)塊體Co和T4/Co的原子結構;(d)塊體Co的能帶和態密度。

圖2(a)LSMO/T4/LSMO和(c)Co/T4/LSMOOMTJs的原子結構。輸運沿z方向,兩個電極周期性地無限延伸;(b)和(d)分別是(a)和(c)結構對應的平衡態的電子透射譜,其中插圖是在費米能級附近放大的電子透射譜。

圖3LSMO/T4/LSMO OMTJ投影態密度圖。平行磁化配置的自旋向上(a)和自旋向下(b);反平行磁化配置的自旋向上(c)和自旋向下(d)。黑線代表費米能級。

圖4Co/T4/LSMO OMTJ投影態密度圖。平行磁化配置的自旋向上(a)和自旋向下(b);反平行磁化配置的自旋向上(c)和自旋向下(d)。黑線代表費米能級。

圖5LSMO/T4/LSMO OMTJ的(a)電流I和TMR曲線以及(b)自旋注入率SIE曲線;

Co/T4/LSMO OMTJ的(c)電流I和TMR曲線以及(d)自旋注入率SIE曲線。

圖6LSMO/T4/LSMO OMTJ與能量和偏壓函數相關的自旋分辨透射譜圖。黑線表示偏壓窗口的區域。

圖7Co/T4/LSMO OMTJ與能量和偏壓函數相關的自旋分辨透射譜圖。黑線表示偏壓窗口的區域。

圖8LSMO/T4/LSMO OMTJ光電流曲線(a)-(d)線偏振光照射;(e)-(f)橢圓偏振光照射;(b)的插圖是T4分子的態密度圖。

||小 結

本文採用第一性原理方法計算了LSMO/T4/LSMO和Co/T4/LSMO OMTJs的自旋相關的輸運性質。在平衡態時,LSMO/T4/LSMOOMTJ中出現的TMR,而Co/T4/LSMO OMTJ中TMR僅為-0.75,這表明具有高自旋極化率的界面有助於實現大的TMR值。此外,兩個OMTJs中都獲得了高自旋注入的極化電流。特別地,Co/T4/LSMOOMTJ中兩個電極的相對磁化方向控制導電自旋通道的切換。另外,通過光照射LSMO/T4/LSMOOMTJ中的T4分子,我們發現:對於平行磁化配置,產生了完全自旋極化的光電流;對於反平行磁化配置,形成了自旋電池。這些結果為有機自旋電子器件的實現奠定了理論基礎。

||文 獻 說 明

1.文獻信息:Largemagnetoresistance and spin-polarized photocurrent in La2/3Sr1/3MnO3(Co)/quaterthiophene/La2/3Sr1/3MnO3organic magnetic tunnel junctions, J. Mater. Chem.C, 2019,7,4079.

2.文獻作者:Xuefei Han,WenboMi and Xiaocha Wang

||軟 件 介 紹

Nanodcal是一款基於非平衡態格林函數-密度泛函理論(NEGF-DFT)的從頭計算軟體,主要用於模擬器件材料中的非線性、非平衡的量子輸運過程,是目前國內唯一一款擁有自主智慧財產權的基於第一性原理的輸運軟體。可預測材料的電流-電壓特性,電子透射機率等眾多輸運性質。迄今為止,Nanodcal已成功應用於1維、2維、3維材料物性、分子電子器件、自旋電子器件、光電流器件、半導體電子器件設計等重要研究課題中,並將逐步推廣到更廣闊的電子輸運性質研究的領域。

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