First principles investigation of electronic properties of tunnel junctions for applications in nanoferronics

Neroni, Andrea; Honerkamp, Carsten; Ležaic, Marjana

doi:35563

First principles investigation of electronic properties of tunnel junctions for applications in nanoferronics = Ab-initio Untersuchungen der elektronischen Eigenschaften von Tunnelkontakten für nanoferronische Anwendungen

Neroni, Andrea

2016 & 2017

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Dipl.-Phys. Andrea Neroni

ImpressumAachen 2016

Umfang1 Online-Ressource (201 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2016

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2017

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Ležaic, Marjana (Thesis advisor) ; Honerkamp, Carsten (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2016-06-08

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-094974
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/674504/files/674504.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/674504/files/674504.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
strongly correlated materials (frei) ; LDA+U (frei) ; GGA+U (frei) ; BaTiO3 (frei) ; magnetic tunnel junction (frei) ; ferroelectric tunnel junction (frei) ; tunnel junction (frei) ; multiferroicity (frei) ; LAPW method (frei) ; constrained RPA method (frei) ; green functions (frei) ; transport (frei) ; quantum tunneling (frei) ; ballistic transport (frei) ; density functional theory (frei) ; multiferroic interface (frei) ; Fe/BTO (frei) ; double perovskite (frei) ; GeTe (frei) ; nanojunction (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
In unserer modernen Welt gibt es eine wachsende Nachfrage nach neuen elektronischen Ger\"aten, die kleiner und schneller sind, und zugleich weniger Energie verbrauchen. Die Silizium-Technologie erreicht allerdings bereits eine Miniaturisierung, die nur schwer zu verbessern ist. In den letzten Jahren, konzentriert sich daher die Forschung auf Alternativen, von denen die Spintronik eine sehr vielversprechende ist. Spintronik ersetzt dabei die Ladung durch den Spin als Informationstr\"ager. Der Elektronenspin wird z.B. kontrolliert in multiferroische Tunnelkontakten, in denen die Tunneleigenschaften durch die Manipulation des Magnetismus und der Ferroelektrizit\"at gesteuert werden. Um einen effizienten Spintronik-Speicher und -Transistoren zu gestalten, m\"ussen die physikalischen Prozesse auf der mikroskopischen Ebene verstanden werden. Theoretische Untersuchungen können hier experimentellen Befunde verst\"andlich machen und die Forschung auf die aussichtsreichsten Systeme lenken.%In dieser Arbeit wird die Dichtefunktionaltheorie als das wichtigste Instrument f\"ur die theoretischen Untersuchungen multiferroischer Tunnelkontakten verwendet. Drei Systeme, die aus verschiedenen Materialien bestehen und unterschiedliche Eigenschaften aufweisen, wurden mit zwei Hauptziele untersucht. \\Zun\"achst wurde demonstriert, wie ein kombinierter Methoden-Ansatz zu einer vollst\"andige ab-initio Beschreibung der Tunnel\"uberg\"ange f\"uhrt und man daher zu Ergebnissen kommt, die nicht von empirischen Befunden abh\"angen. Um dieses Ziel zu erreichen, wurden mehrere Codes parallel verwendet. Neben dem "standard DFT", das bei der Bestimmung der elektronischen Eigenschaften eingesetzt wird, wurde cRPA benutzt, um die Beschreibung von Korrelationen zu korrigieren und ein auf Greenschen Funktionen basierender Embedding Ansatz ermöglichte dann die Berechnung von Transporteigenschaften. \\Zweitens soll diese Arbeit zeigen, wie theoretische Untersuchungen verwendet werden, um eine vollst\"andige Beschreibung eines Spintronik Konzeptes zu erreichen: ausgehend von den Grundeigenschaften der Bestandteile des Tunnelkontaktes, bis zu dem Vorschlag von neuen Mechanismen, die in neuartigen Ger\"aten zu nutzen w\"aren. \\Die Eigenschaften der betrachteten Materialien, welche die metallischen Leiter sowie die Tunnelbarriere bilden, sind im Detail untersucht worden. Insbesondere im Fokus waren Perowskit Materialien, wie das ferroelektrische BaTiO$_3$ als Tunnelbarriere und das Doppel-Perowskit Sr$_2$FeMoO$_6$ als magnetisches elektrisch leitf\"ahiges Metall. Drei verschiedenen Tunnelkontakte wurden untersucht. Der erste, ein Schichtsystem aus Ferromagnet und Ferrolektrikum Fe/BaTiO$_3$, wird als ein Prototyp f\"ur die Untersuchung der magnetoelektrischen Kopplung in Spintronikbauelemente betrachtet. Im zweiten System, Sr$_2$FeMoO$_6$/BaTiO$_6$ liegt die besondere Bedeutung in der vollst\"andigen Spinpolarisation, die aufgrund der Halb-Metallizit\"at des Doppel-Perowskit erreichbar ist. Das dritte untersuchte System ist ein ferroelektrischer Tunnelkontakt mit einer Barriere aus GeTe, bei der die ferroelektrische Polarisation aufgrund einer Rashba Aufspaltung der GeTe B\"ander verwendet werden kann, um die Entstehung eines Spinstromes zu steuern.

In the modern world there is an ever growing demand for new electronic devices that need to be smaller, faster and at the same time consume less energy. The silicon technology, however, reached a level of miniaturization that is difficult to overcome. In the last years, this fueled the research towards alternatives, and spintronics is a very promising one. In spintronics the charge is replaced by the spin as main quantity of interest in the functioning of devices. The electronic spin can be controlled in Multiferroic Tunnel Junctions, devices in which the tunneling properties are tuned through the manipulation of magnetism and ferroelectricity. In order to design efficient spintronic memories and transistors, the physical processes taking place at the microscopical level must be fully understood. Theoretical investigations can at the same help unraveling experimental findings and lead the research towards the most promising systems.In this thesis, Density Functional Theory as the main tool for theoretical investigations of multiferroic tunnel junctions. Three systems, consisting of different materials and possessing different properties, have been investigated with two main goals.\\The first is to show how a combined methods approach can lead to a description of a tunnel junction obtained completely ab-initio, and therefore not biased by empirical findings. To achieve this goal several codes has been used in parallel. Beside the "standard" DFT, employed in the determination of the electronic properties, cRPA was used to correct the description of correlations, and a Green function based embedding technique has been used to calculate transport properties.\\Second, this thesis aims at showing that theoretical investigations can be used to achieve a full description of a spintronic device, starting from the basic properties of the constituents of the junction, to arrive at the proposal of new mechanisms to exploit in novel devices.\\The properties of the compounds constituting the metallic leads, as well as the one constituting the tunnel barrier, have been studied in details. Particular focus received perovskite materials, such as the ferroelectric BaTiO$_3$ employed as a tunnel barrier and the double perovskite Sr$_2$FeMoO$_6$ used as a magnetic lead. Three different junctions have been investigated. The first, based on the ferromagnet/ferroelectric Fe/BaTiO$_3$ interface, is considered a prototypical junction for the study of magnetoelectric coupling in spintronic devices. The importance of the ferromagnet/ferroelectric Sr$_2$FeMoO$_6$/BaTiO$_6$ interface of the second investigated junction, lies in the full spin polarization achievable due to the half-metallicity of the double perovskite. The third studied system is a ferroelectric junction based on GeTe, in which the ferroelectric polarization can be used as the handle to control the emergence of a spin current due to a Rashba splitting in GeTe bulk bands.

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