npj Comp Mater：四元Heusler和MgO界面垂直磁各向异性的高通量设计！

与MgO界面结合的Heusler合金表现出界面垂直磁各向异性，使其对节能自旋电子技术具有吸引力。然而，寻找具有理想性能的合适的Heusler/MgO异质结构是具有挑战性的，因为可用的成分范围广泛，界面结构复杂，特别是新兴的四元Heusler化合物。

在此，来自美国加州大学圣迭戈分校的Kesong Yang等研究者，报道了用于自旋电子应用的四元-Heusler/MgO异质结构的高通量筛选。相关论文以题为“High-throughput design of perpendicular magnetic anisotropy at quaternary Heusler and MgO interfaces”发表在npj Computational Materials上

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41524-023-01079-4

磁隧道结(MTJs)不仅因其在存储记录器件和磁传感器中的广泛应用，而且由于其在量子计算等下一代计算方案中的潜在应用而引起了人们越来越多的兴趣。然而，基于面内磁各向异性的传统MTJs存在热稳定性低、开关电流大、磁化开关速度慢等问题。解决这些问题的一种可能的方法是使用基于垂直磁各向异性(PMA)的垂直MTJs (p-MTJs)。PMA的强度一般用各向异性能量密度来测量，即单位面积内单位能量的磁各向异性常数(Ki)。当器件缩小到纳米级时，需要一个大的正Ki来抵消退磁能量并保持足够的热稳定性。最近的一项计算研究表明，当器件尺寸缩小到10 nm时，需要4。7 mJ m−2的Ki才能保持10年的数据保留。

传统上认为PMA出现在磁性金属层和重质非磁性金属层(如Co/Pt、Co/Pd和Co/Au)以及铁磁性薄膜(如Co)之间的材料界面上，尽管它们的Ki值通常很小，小于1。0 mJ m−2。2010年，Ikeda等人报道了基于CoFeB/MgO界面的p-MTJ，其Ki高达1。3 mJ m−2，隧道磁阻(TMR)比高达120%，开关电流约为49μA。这表明磁性金属和氧化物上的PMA可用于制备p-MTJs。从那时起，为了实现p-MTJs所需的界面性能，人们努力寻找由不同铁磁性材料和绝缘隧道势垒组成的替代材料界面，如Co2FeAl/MgO、Mn3Ga/MgO、MgO/Co(111)、Fe/MgAl2O4、Co2FeAl/NiFe2O4、Fe/CuInSe2、NiFeB/MgO。

在所有已经研究的材料界面中，基于Heusler的异质结构代表了一类最有希望的p-MTJs候选材料，因为它们具有迷人的性质。Heusler合金族由大量的金属间二元、三元和四元合金组成，其中以三元全Heusler化合物最为常见，其分子式为X2YZ，其中X和Y通常为过渡金属，Z通常为主族元素。因此，Heusler合金通过成分修改具有广泛的可调性，并在各种应用中表现出广泛的性能，为搜索包括p-MTJs在内的目标功能材料提供了广阔的平台。在研究者之前的工作中，研究者对三元Heusler化合物进行了高通量筛选，在数十万种三元Heusler化合物中寻找有前途的p-MTJs，并成功鉴定出7种具有所需性质的候选Heusler/MgO组合。与仅含3个元素的三元Heusler化合物(全Heusler X2YZ或半Heusler XYZ)相比，含4个元素的季元Heusler化合物XX’YZ具有更大的组成空间和更大的寻找靶材料的潜力。此外，四元Heusler化合物通常比三元Heusler化合物具有更大的熵，从而提供了更大的潜力来寻找更多的热力学稳定的化合物。先前对四元Heusler化合物的高通量筛选研究都集中在它们的体性质上，如热电和无自旋间隙半导体性质。相比之下，基于四元Heusler化合物的材料界面的高通量筛选研究，如节能p-MTJs等高级功能应用仍未得到充分探索。因此，基于四元Heusler合金的界面性能的系统筛选研究，对于加速p-MTJs等功能材料界面的发现和开发是非常必要的。

在此，研究者提出了一种高通量筛选方法来寻找具有所需材料性能的四元- heusler /MgO异质结构，用于高效节能的p-MTJs。通过使用一系列有效的材料描述符，研究者成功地确定了5种候选的四元-Heusler /MgO异质结构，它们具有强大的材料稳定性、大的PMA和高的TMR比。通过分析筛选异质结构的层分辨和原子轨道分辨Ki值，讨论了大PMA的原子起源。这项工作通过使用开放量子材料库和高通量计算技术，为加速发现基于四元Heusler化合物的功能材料界面铺平了道路。（文：水生）

图 1：块状四元Heusler化合物的高通量筛选的示意图工作流程，用于有希望的节能P-MTJ。

图 2：四元-Heusler/MGO异质结构模型的插图。

图 3：针对选定的四元-Heusler/MGO模型计算的层分辨Ki。

图 4：针对选定的四元-Heusler/MGO模型计算的轨道分辨Ki。

本文来自微信公众号“材料科学与工程”。欢迎转载请联系，未经许可谢绝转载至其他网站。