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本文1827字，阅读约需5分钟

摘要：利用第一性原理计算，设计出由非共线性反铁磁体Mn3Sn与氧化镁组合成的磁性隧道结（MTJ），并从理论上预测了其会表现出巨大的隧穿磁阻（TMR）效应，有望作为反铁磁体隧道结器件的设计开发指南，推动未来高密度、超高速且低电耗的高密度非易失性磁性存储器的开发。

关键词：磁性隧道结（MTJ）、非共线性反铁磁体、Mn3Sn、隧穿磁阻（TMR）效应、第一性原理计算

要点

在理论上设计出利用非共线性反铁磁体的磁性隧道结，并通过计算预测了其会表现出巨大的隧穿磁阻效应。
本理论预测，由具有应用潜力的非共线反铁磁体材料和典型的绝缘材料形成的反铁磁隧道结，有可能实现实用化。
本研究成果有望成为开发高密度、超高速、低电耗磁性存储器的设计指南。

Mn3Sn/MgO/Mn3Sn 磁性隧道结

概要

研究团队利用第一性原理计算（注1），设计出由非共线性反铁磁体（注2）Mn₃Sn与氧化镁组合成的磁性隧道结（MTJ）（注3），并从理论上预测了其会表现出巨大的隧穿磁阻（TMR）效应（注3）。该成果成为反铁磁体隧道结器件的设计开发指南，有望推动未来高密度、超高速且低电耗的高密度非易失性磁性存储器（注4）的开发。

研究成果概述

近年来，利用无宏观磁化的磁性体，即反铁磁体的自旋电子学（注5）技术不断发展。反铁磁体具有极小的漏磁场，适合高集成化，并且能够在太赫兹（THz）频段实现超高速工作，相较于铁磁体具有诸多优势。因此，全球范围内正开展用反铁磁体取代以往基于铁磁体的自旋电子学技术的研发。

自旋电子学技术的代表性应用之一是通过磁性随机存取存储器（MRAM）实现非易失性信息存储。MRAM通过磁性隧道结（MTJ）来保存信息，并利用隧穿磁阻（TMR）效应读取信息。针对TMR效应，采用反铁磁体的研究也正在推进。

在反铁磁体自旋电子学材料中，非共线反铁磁体Mn3Sn是一种具有应用潜力的候选材料。此前已有研究证实了在Mn₃Sn上的电写入以及基于TMR效应的读取。基于这些成果，人们寻求采用Mn₃Sn进一步提升MTJ的性能，并推动未来MRAM的开发。为实现这一目标，通过理论研究确立设计指南不可或缺。然而，以往采用Mn₃Sn的TMR效应理论研究或是未考虑绝缘层，或是仅考虑了绝缘层非常薄的情况，无法准确处理隧道结中的隧穿传导特性，因此需要通过研究获取与器件开发相关的设计指南。

本研究针对将具有代表性的隧道结绝缘体氧化镁（MgO）和由锰（Mn）、锡（Sn）组成的反铁磁合金Mn₃Sn组合形成的磁性隧道结，采用第一性原理计算进行了理论设计。然后，计算设计出的隧道结的TMR效应，发现当两个Mn₃Sn层的磁矩方向为平行与反平行的状态之间时，其隧穿传导特性会发生显著变化；且该隧道结的性能指数TMR比（衡量器件性能的重要指标）最大可达到约1000%（图1）。

图1：(a) Mn3Sn/MgO/Mn3Sn磁性隧道结（MgO绝缘层为10层的情况）；(b) 本研究预测的隧穿磁阻（TMR）比。

当左右两侧的Mn3Sn电极层的磁矩方向平行时，电阻值较低；当磁矩方向反平行时，电阻值较高。随着绝缘层厚度的增加，其电阻变化量也随之增大，最大可达到约1000%以上。

此外，本研究所设计的MTJ结构也适用于电写入。本研究成果是基于第一性原理计算，综合考虑电极层Mn₃Sn和绝缘层MgO二者的特性得出的预测，是一项着眼于将反铁磁体应用于写入与读取技术的实用性理论预测。在融合自旋电子学技术与光电转换技术的下一代器件开发中，本研究成果有助于推动其核心技术——利用反铁磁体Mn₃Sn进行信息读取技术的开发。今后，期待本研究能作为反铁磁体磁阻随机存取存储器（MTJ）开发的设计指南，加速下一代磁性存储器的研发。

术语解释

（注1）第一性原理计算

一种基于量子力学基本原理来计算物质性质的方法。在第一性原理计算中，不使用实验数据或经验参数，仅依靠原子的种类和位置信息，直接预测物质的电子状态和物性，因此能够实现基于物质特性的高精度预测。

（注2）反铁磁体、非共线性反铁磁体

磁性材料中的磁矩相互抵消，整体磁化为零的磁性体被称为反铁磁体。在反铁磁体中，若磁矩并非平行排列，则被称为非共线性反铁磁体。

（注3）磁性隧道结（MTJ）、隧穿磁阻（TMR）效应

由两个磁性金属层及夹在中间的绝缘薄膜层构成的多层膜系称为磁性隧道结（MTJ）。在磁性隧道结中，由量子力学的隧穿效应实现电流流动，而当两个磁性金属层的磁矩相对方向处于平行或反平行状态时，其电阻值会发生变化，这种现象被称为隧穿磁阻（TMR）效应。作为评价MTJ和TMR效应的指标，采用这两种状态下电阻的比值，即TMR比来表示。假设两个磁性金属层的磁矩在处于平行和反平行状态时MTJ的电阻分别为R_P和R_AP，则TMR比定义为(R_AP-R_P)/R_P × 100 [%]。TMR比的值越高，信息读取的灵敏度就越高，从而能作为性能更优异的磁性存储器发挥作用。