Étude ab-initio des propriétés magnétiques des structures tunnel magnétiques à base de MgO et des éléments de transition.

Abstract

الملخص (بالعربية): الجزءالأول: تمت دراسة الخصائص الهيكلية، الإلكترونية، الميكانيكية، الديناميكية الحرارية،والمغناطيسية لمركب الحديد في أطوار مختلفة باستخدام حسابات المبادئ الأولية القائمة على نظرية الكثافة الوظيفية ذات السبين المستقطب ضمن تقريب تدرج معمَّم وتقريب المعدَّل للطاقة وكمون التبادل والارتباط،قمنا بدراسة الخصائص الهيكلية والإلكترونية والمغناطيسية لمركب الحديد. يتم حساب مركب الحديد في مراحل بلورية مختلفةfcc, bccو hcpللحالات غير المغنطيسية (NM)، والمغناطيسية الحديدية (FM) والمضادات المغناطيسية (AFM) وكذلك تأثير الضغط من المحتوى الحراري المحتسب كدالة للضغط، نتوقع مسار انتقال لطور الحديد عندT = 0Kعلى النحو التالي: bcc(FM) hcp(AFM2) hcp(NM) cfc(FM). تم الحصول على مرحلة بلورية جديدة hcp (AFM2). يشير المحتوى الحراري الناتج عن كل مرحلة إلى أن طور hcp (AFM2) أكثر ملائمة من طورhcp (NM)، لذلك نقترح وجود أنتقال جديد تحت الضغط منbcc (FM) إلى طور hcp (AFM2) حوالي 10 جيغا باسكال. أظهرت الخصائص المرنة المحسوبة Cijلمراحل الانتقال الناجم عن الضغط بمعايير الثبات أنها من الناحية المرنة مستقرة. أظهرت الخصائص الديناميكية الحرارية المحسوبة للأطوار المحسوبة نظرا لعدم وجود نمط تخيلي في تشتت الفونونات تكون هذه المراحل مستقرة ديناميكيًا. الجزء الثاني: يتم تطبيق نظرية الكثافة الوظيفية لحساب الخصائص الهيكلية والإلكترونية والمغناطيسية لتقاطعات الأنفاق المغناطيسية(JTM) Fe/MgO/Fe(001).بالإضافة إلى تأثير طبقة الأكسجين أحادية الطبقة بواسطة إضافة ذرات الأكسجين في واجهةFe/MgO . لوحظ تشكيل رابط Fe-O، وكذلك التغيرات في استقطاب الدوران حول مستوى فيرمي لهيكل (Fe/MgO/Fe (001 مع طبقة FeOأحادي كثافة حالات الاستقطاب ألدوراني المحسوبة لهيكل Fe/MgO/Fe مع طبقة واجهة Fe-O.أظهرت كثافة استقطاب الدوران المحسوبة لحالات Fe/MgO/Fe مع طبقة واجهة Fe-O أن قمم حالات O 2sو O 2p و Fe 3d يتم إزاحتها بسبب الاقتران بينهما ذرات الأكسجين و طبقة الحديد.يُظهر هيكل Fe/MgO/Fe سلوكًا معدنيًا بسبب موضع ذروة كثافة الحالات عند مستوى فيرمي للأغلبية والأقلية. استقطاب الدوران المحسوب هو 7٪ فقط للهيكل المعدني Fe/MgO/Fe، في حين أن الهيكل المعدني Fe/MgO/Fe مع طبقة بينية FeO له استقطاب بنسبة 24٪. وبالتالي تبين أن الاستقطاب حساس للغاية لطبيعة طبقة الواجهة. وبالمثل، وُجد أن طبيعة نقل السبين في بنيتي JTM المدروستين مختلفة في واجهة Fe/MgO بسبب التفاعل بين الذرات المحيطة الأكسجين وطبقة الحديد كما قمنا بحساب الخصائص الهيكلية والمغناطيسية والإلكترونية لهيكل Fe/MgO/Fe بطبقة FeO بأحجام مختلفة من التقاطع عن طريق تغيير عدد طبقات MgO، بسمك محدد لطبقة الحديد عند 5 طبقات أحادية. الكلمات المفتاحية: نظرية الكثافة الوظيفية؛ استقرار الطور؛الفونون؛ الديناميكا الحرارية. فرومنتيسم,مضاد الانجذاب المغنطيسي,العناصر الانتقالية,تقاطع النفق المغناطيسي,مقاومة النفق.

------------------------------------------- Résumé (en Français) : Partie 1: La théorie fonctionnelle de la densité est appliquée pour étudier la stabilité relative du Fe dans différentes phases (cc, cfc et hcp) pour les états non magnétique (NM), ferromagnétique (FM) et antiferromagnétique (AFM) ainsi que l'effet de la pression. A partir de l'enthalpie calculée en fonction de la pression, nous avons prédit le chemin de transition de phase pour Fe à T = 0 K comme suit: cc (FM) hcp (AFM2) hcp (NM) cfc (FM). Une nouvelle phase intermédiaire, qui est la phase hcp (AFM2), a été obtenue. L'enthalpie résultante de chaque phase indique que la phase hcp (AFM2) est plus favorable que la phase hcp (NM) ; nous suggérons donc l'existence d'une nouvelle transition de phase sous pression de la phase cc (FM) à la phase hcp (AFM2) autour de 10 GPa. Les constantes élastiques calculées Cij pour les transitions de phases induites par la pression préférées satisfont aux critères de stabilité élastique. De plus, ces phases sont dynamiquement stables en se basant sur les considérations de la dispersion des phonons et de la densité d’états totale des phonons. Partie 2 : La théorie de la fonctionnelle de la densité est appliquée pour calculer les propriétés structurales, électroniques et magnétiques des jonctions tunnel magnétiques (JTM) Fe/MgO/ Fe (001) ainsi que l'influence d'une monocouche d'oxygène interfaciale par l'ajout d'atomes d'oxygène à l’interface Fe/MgO. La formation de la liaison Fe-O, ainsi que les changements de polarisation de spin autour du niveau de Fermi de la structure Fe/MgO/Fe (001) avec une couche interfaciale FeO a été observée. La densité d’états polarisés en spin calculée pour la structure Fe/MgO/Fe avec une couche d'interface Fe-O a montré que les pics des états O 2s, O 2p, et Fe 3d sont décalés en raison du couplage entre les atomes d'oxygène et la couche du Fer. La structure Fe/MgO/Fe présente un comportement métallique en raison de la position du pic de la densité d'états (DOS) au niveau de Fermi pour les spins majoritaires et minoritaires. La polarisation de spin (P) calculée n'est que de 7% pour la structure métallique Fe/MgO/Fe, alors que la structure métallique Fe/MgO/Fe avec une couche interfaciale FeO présente une polarisation P de 24%. Ainsi, la polarisation s'avère extrêmement sensible à la nature de la couche d'interface. De même, la nature du transfert de spin dans les deux structures JTM étudiées s'est avérée différente à l'interface Fe/MgO en raison de l’interaction entre les atomes environnants Fe et O. Nous avons également calculé les propriétés structurales, magnétiques et électroniques de la structure Fe/MgO/Fe avec une couche FeO avec différentes tailles de la jonction en faisant varier le nombre de couches de MgO, avec une épaisseur de Fe fixée à 5 monocouches. Les mots clés : Théorie fonctionnelle de la densité; Transition de phase; Ferromagnétisme; Phonon; Thermodynamique; Éléments de transition; Magnétorésistance Tunnel; Jonction Tunnel Magnétique.

----------------------------------------- Abstract (en Anglais): Part 1: Density functional theory is applied to investigate the relative stability of Fe in different phases (bcc, fcc and hcp) for both the nonmagnetic (NM), ferromagnetic (FM) and anti-ferromagnetic (AFM) states as well as the effect of pressure. From the calculated enthalpy as a function of pressure, we predict the phase transition pathway for Fe at T = 0 K as: bcc (FM) hcp (AFM2) hcp (NM) fcc (FM). A new intermediate, which is the hcp (AFM2) phase, was obtained. The resulting enthalpy of each phase indicates that the hcp (AFM2) phase is more favorable than the hcp (NM) phase, thus we suggest the existence of novel transition under pressure from bcc (FM) to hcp (AFM2) phase around 10 GPa. The calculated elastic constants Cij for the preferred pressure induced transition phases satisfy the criteria for elastic stability. Also, these phases are dynamically stable based on the phonon dispersion and phonon total density of states considerations. Part 2: Density functional theory is applied to calculate the structural, electronic, and magnetic properties of the Fe/MgO/Fe (001) magnetic tunnel junctions (JTMs) as well as the influence of an interfacial oxygen monolayer by the addition of oxygen atoms at the Fe/MgO interface. The formation of Fe-O bonded atoms, as well as the changes in the spin polarization around the Fermi level of the Fe/MgO/Fe (001) with an interfacial FeO layer, is observed. The calculated spin-polarized density of states of the Fe/MgO/Fe with a Fe-O interface layer showed that the peaks of the O 2s, O 2p, and Fe 3d states are shifted due to the coupling between the O atoms and Fe layer. The Fe/MgO/Fe structure exhibits metallic behavior due to the position of the density of states (DOS) peak at the Fermi level with both majority and minority spins. The calculated spin polarization (P) is only 7 % for the metallic Fe/MgO/Fe structure, whereas the metallic Fe/MgO/Fe structure with FeO interfacial layer has P of 24%. Thus, the polarization is found to be extremely sensitive to the nature of the interface layer. Likewise, the nature of spin-charge transfer in both investigated JTM structures was found to be different at the Fe/MgO interface due to the hybridization interaction between Fe and O. We have also calculated the structural, magnetic, and electronic properties of Fe/MgO/Fe with FeO layer with different sizes of the junction by varying the number of MgO layers, with Fe thickness fixed at 5 ML. Keywords: Density functional theory; Phase transition; Ferromagnetism; Phonon; Thermodynamics; Transition elements. Tunneling Magnetoresistance; Magnetic Tunnel Junctions.