题目：以MgO为绝缘层的磁性隧道结电子结构研究

磁性隧道结因其在自旋电子器件中的巨大应用潜力而得到广泛的关注。以MgO为绝缘层的隧道结具有较高的隧道磁电阻效应和良好的热稳定性，成为制造下一代超高密度磁随机存储器和磁性传感器的关键。 众所周知，磁隧道电阻效应的大小与隧穿电子的自旋极化率密切相关，而后者是由铁磁层费米面附近的电子结构决定的。因此，对铁磁层的电子结构进行研究对理解磁隧道电阻效应的微观机制具有重大的意义。本文采用第一原理离散变分方法，对Fe/MgO/Fe及FeCo/MgO/FeCo体系的电子结构和磁性能进行研究。 针对Fe/MgO/Fe隧道结体系，建立一系列模型、研究了铁磁层-绝缘层（Fe-MgO）间距、氧化镁层厚度、铁磁层厚度、界面氧化、以及界面镁插层对隧道结体系电子结构与磁性能的影响规律。结果表明，界面Fe层的自旋极化率随Fe-MgO层间距的增加而增大，提高Fe-MgO层间距有利于提高隧道结磁电阻性能，同时界面Fe层的磁矩也有所提高。但是，Fe-MgO层间距无限地增大会导致体系能量的升高，进而使体系不稳定。MgO层厚度变化会引起界面Fe原子的构型产生变化，对其电子结构和磁性能产生很大影响。界面Fe层的自旋极化率在MgO厚度为5个原子层时出现最大值，因此，适当的MgO厚度有利于提高隧道磁电阻效应。随着Fe层厚度的增加，界面Fe层的自旋极化率先增大后减小，在Fe层厚度为4个原子层时达到最大值。因此，适当的Fe层厚度有利于获得高的TMR效应。研究还发现，界面氧化显著地降低了界面Fe层的自旋极化率。这是由于FeO的存在导致了界面Fe层的较多的电荷转移，可能形成Fe-O化学键，使电子的局域化程度增强，不利于体系的TMR效应。而界面Mg层的插入可以提高界面Fe层的自旋极化率和磁矩，提高体系的TMR效应。 针对FeCo/MgO/FeCo隧道结体系，建立一系列模型，研究了FeCo层厚度、界面状态及Co含量对体系电子结构和磁性能的影响。结果表明，与Fe/MgO/Fe体系相比，FeCo/MgO/FeCo体系中界面铁磁层具有较高的自旋极化率，使该体系更容易获得高的TMR效应，而且界面铁磁层的自旋极化率基本不受界面条件的影响。FeCo层厚度的变化对界面铁磁层的自旋极化率影响不大，在FeCo层厚度为7个原子层时界面铁磁层具有最高的自旋极化率，也就是说，适当的铁磁层厚度有利于隧道结的TMR效应。Co含量的升高可以提高界面铁磁层及整个铁磁层的自旋极化率，从而提高体系的TMR效应。也就是说，高的Co含量对FeCo/MgO/FeCo隧道结体系的TMR效应有益。在FeCo层中，Fe的磁矩随着Co含量的增加而增加，而Co的磁矩不受Co含量的影响，因此整个FeCo层的磁矩随Co含量的增加先增大后降低，在30%左右获得最大值。