非对称超晶格磁隧道结中势垒轮廓工程对自旋转移力矩的增强效应研究

　　本研究针对传统对称磁隧道结(MTJ)自旋转移力矩(STT)效率不足的问题，通过构建CoFeB/La0.7 Sr0.3 MnO3 非对称超晶格结构，系统研究了线性/高斯/洛伦兹等五种势垒轮廓对STT的调控机制。采用非平衡格林函数(NEGF)结合有效质量紧束缚模型，发现非对称结构通过磁矩取向与幅度的协同作用使STT提升300%，为低功耗自旋电子器件设计提供了新范式。

　　

在自旋电子学领域，磁隧道结(MTJ)作为核心元件，其性能直接决定了磁随机存储器(MRAM)等器件的能耗与速度。传统对称结构MTJ面临自旋转移力矩(STT)效率低下的瓶颈，导致 magnetization switching（磁化翻转）需要较高电流密度。同时，势垒层传输特性的精确调控一直是未被深入探索的科学问题。这些问题严重制约着新一代自旋存储与逻辑器件的发展。

来自的研究团队在《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》发表的研究中，创新性地采用CoFeB/La_0.7
Sr_0.3
MnO₃
(LSMO)非对称电极组合，通过设计线性(VBH-LI)、高斯(VBH-GA)、洛伦兹(VBH-LO)、P?schl-Teller(VBH-PT)和抗反射(AR)五种势垒轮廓，系统探究了超晶格结构对STT的增强机制。研究运用有效质量紧束缚模型框架下的非平衡格林函数(NEGF)方法，结合量子阱共振原理，首次揭示了非对称磁矩耦合与势垒轮廓工程的协同放大效应。

关键技术包括：1) 构建含Ru/Cu量子阱的垂直MTJ(p-MTJ)器件模型；2) 采用参数化势垒轮廓(高度0.5-1.2eV)；3) 通过Landau-Lifshitz-Gilbert方程量化STT效率；4) 利用自旋相关输运计算隧道磁阻(TMR)比率。

【模型与方法】
通过紧束缚哈密顿量描述体系电子结构，其中CoFeB/LSMO电极的交换劈裂能Δ分别为2.1eV和2.5eV。关键发现是界面hopping能量(t_l
+t_m
)/2的梯度分布形成了自旋选择过滤效应。

【结果与讨论】
• 势垒轮廓调控：高斯势垒在0.4V偏压下使STT达到7.5×10^-9
J/m，较对称结构提升3倍
• 量子阱共振效应：0.4nm Ru层产生离散能级，使自旋极化电流透射率提高60%
• 材料组合优势：LSMO的半金属特性(<100%自旋极化)与CoFeB的高界面极化形成互补增强

【结论】
该研究证实非对称超晶格结构通过三重机制优化STT：1) 电极磁矩非共线排列产生强横向自旋积累；2) 势垒梯度降低多数自旋反射；3) 量子阱态实现能带匹配。特别值得注意的是，P?schl-Teller势垒在1.0V时展现负微分电阻特性，为振荡器设计提供了新思路。这些发现为开发亚纳秒级磁化翻转器件奠定了理论基础，有望将MRAM工作电流降低至10⁵
A/cm²
量级。