Fe/MgO界面における垂直磁気異方性とその電場誘起変化に対する挿入層の効果：第一原理計算による検討

The effect of insertion layer on the perpendicular magnetic anisotropy and its electric-field-induced change at Fe/MgO interface: a first-principles investigation.

• Yurong Su
• Jia Zhang
• Jeongmin Hong
• Long You

抄録

超低消費電力・高密度の不揮発性磁気ランダムアクセスメモリの開発により、電圧制御磁気異方性（VCMA）効率の高い磁気トンネル接合の有望な材料の探索が活発化している。本研究では、Fe/MgO界面における垂直磁気異方性(PMA)とVCMAに及ぼす4d,5d遷移金属層間効果を第一原理計算により調べた。その結果、Pt挿入層を持つFe/MgO界面では11mJ/m2以上の大きなPMAが観測され、2次摂動理論に基づいてPMAのメカニズムが明らかになった。さらに、Fe/MgO界面に異なる挿入層を導入することで、VCMA効率の大きさと符号が変化することを見いだした。その結果、ReとOsの挿入により、PMAとVCMA係数が大幅に増加することがわかった。この結果は、PMAとVCMAにおける界面構造の重要性をさらに強調するものであり、低消費電力スピントロニクスデバイスのための新しい材料プラットフォームを提供する可能性がある。

The development of ultralow power and high density nonvolatile magnetic random access memory stimulates the search for promising materials in magnetic tunnel junction with large voltage-controlled magnetic anisotropy (VCMA) efficiency. In this work, we investigate the 4d and 5d transition metal interlayer effect on perpendicular magnetic anisotropy (PMA) and VCMA at Fe/MgO interface by using first-principles calculations. Large PMA more than 11 mJ/m2 is found at Fe/MgO interface with Pt insertion layer and the mechanism for PMA is clarified based on the second order perturbation theory. Furthermore, we find that the magnitude and the sign of VCMA efficiency are varied by introducing different insertions at Fe/MgO interface. The Re and Os interlayers lead to a sizable increase in both of the PMA and the VCMA coefficient. Our findings may further emphasize the essential importance of the interface structure on PMA and VCMA and may offer new material platforms for low-power consumption spintronic devices.

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