Theoretical study for (111)-oriented magnetic tunnel junctions

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20K14782
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 21050:Electric and electronic materials-related
• Research Institution: National Institute for Materials Science
• Principal Investigator: Masuda Keisuke 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 磁性・スピントロニクス材料研究拠点, 主任研究員 (40732178)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: スピントロニクス / トンネル磁気抵抗効果 / スピン輸送 / 垂直磁気異方性 / 磁気トンネル接合 / 第一原理計算

Outline of Final Research Achievements

We theoretically investigated the tunnel magnetoresistance (TMR) effect in unconventional (111)-oriented magnetic tunnel junctions (MTJs). We firstly addressed (111)-oriented MTJs with MgO(111) tunnel barriers and found that the MTJs with Co-based ferromagnetic alloys (CoNi, CoPt, and CoPd) show quite high TMR ratios of the order of 1000%. We suggested a possibility that the high TMR ratios are attributed to interfacial resonant tunneling. We next studied (111)-oriented MTJs with SrTiO3(111) tunnel barriers and obtained relatively high TMR ratios of around 500%. We clarified that these TMR ratios can be understood by the bulk band structures of ferromagnetic electrodes and the tunnel barrier, which is in contrast to the MgO-based (111)-oriented MTJs mentioned above.

Free Research Field

物性理論

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

磁気トンネル接合 (MTJ) は全てのハードディスクドライブや磁気ランダムアクセスメモリに搭載されるビックデータ社会に不可欠なデバイスである。従来のMTJはFe/MgO/Fe(001)に代表されるように、bcc強磁性体の[001]方向に成長させる構造を取っていた。しかし次世代電子デバイスへの搭載に向けて、さらに高いトンネル磁気抵抗比や大きな垂直磁気異方性を達成する必要があり、そのためには新規なMTJを模索することが重要である。本研究ではこのような主眼から新規な(111)配向MTJを理論的に研究し、これらの望まれる特性が達成されうることを理論的に示すことができた。