Christian Heiliger

Elektronentransport durch planare Tunnelkontakte: Eine ab initio Beschreibung

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) vorgelegt an der Naturwissenschaftlichen Fakultät II der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 13.02.2007

Abstract
Der Inhalt dieser Arbeit ist die theoretische Untersuchung des elektronischen Transports durch planare Fe/MgO/Fe-Tunnelkontakte mit Hilfe einer ab initio Methode. Dabei wird der in diesen Kontakten auftretende Tunnelmagnetowiderstand (TMR) im kohärenten Grenzfall untersucht. Zur Berechnung der Transportgrößen wird der Landauer-Formalismus, der in einem Korringa-Kohn-Rostoker-Verfahren (KKR) basierend auf der Dichtefunktionaltheorie implementiert ist, genutzt. Diese Methode wird für eine detaillierte Analyse der Abhängigkeit des TMR von verschiedenen Parametern verwendet. Insbesondere werden die Einflüsse der Grenzflächenstruktur, der Barrierendicke und der atomaren Struktur der Zuleitungen untersucht. Dabei kann gezeigt werden, dass die Spannungsabhängigkeit des TMR-Verhältnisses sehr stark durch eine mögliche FeO-Schicht an der Grenzfläche beeinflusst werden kann. Dabei sind sowohl positive als auch negative TMR-Verhältnisse in Abhängigkeit der angelegten Spannung und der Grenzflächenstruktur möglich. Des Weiteren kann, durch die in dieser Arbeit dargestellten Analysen der am elektronischen Transport beteiligten Zustände, die experimentell beobachtete Sättigung des TMR-Verhältnisses in Abhängigkeit der Barrierendicke verstanden werden. Insbesondere ist die komplexe Bandstruktur von MgO von besonderer Bedeutung. Ein weiteres Ergebnis dieser Arbeit ist die Tatsache, dass bereits eine ferromagnetische Fe-Monolage an der Barriere ausreichend ist, um ein hohes TMR-Verhältnis zu erhalten.

The topic of this thesis is the theoretical description of the electronic transport through planar Fe/MgO/Fe tunnel junctions using an ab initio method. This means that the tunnel magneto resistance effect (TMR) is investigated in the coherent limit of transport. The Landauer formalism is used to calculate the transport properties. This approach is implemented in a Korringa-Kohn-Rostoker (KKR) method based on density functional theory. Consequently, the TMR is analyzed in dependence on different parameters. In particular, the influences of the interface structure, of the barrier thickness, and of the atomic structure of the leads are investigated. It can be demonstrated that the bias voltage dependence of the TMR ratio can be strongly influenced by a possible FeO monolayer. Thereby, positive and negative TMR ratios can be obtained in dependence on the applied bias voltage and on the interface structure. Furthermore, analyzing the states contributing to the current an understanding of the experimentally observed saturation of the TMR ratio for large barrier thicknesses is achieved in the present work. In particular, the complex band structure is of special importance. Another results of this thesis is that even one ferromagnetic monolayer next to the barrier is sufficient to obtain a high TMR ratio.

Keywords:
Tunnelmagnetowiderstand (TMR), Fe/MgO/Fe, Dichtefunktionaltheorie (DFT), Korringa-Kohn-Rostoker (KKR), elektronischer Transport, planare Tunnelkontakte, Spannungsabhängigkeit, Landauer Formalismus, Grenzflächenstruktur, komplexe Bandstruktur

Tunneling Magneto Resistance (TMR), Fe/MgO/Fe, Density Functional Theory (DFT), Korringa-Kohn-Rostoker (KKR), electronic transport, planar tunnel junctions, bias dependence, Landauer formalism, interface structure, complex band structure

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Inhaltsverzeichnis
Titelblatt, Inhaltsverzeichnis (1, 1-2)
1 Einleitung (3-6)
2 Theoretische Grundlagen (7-35)
3 Ergebnisse und Diskussion (36-73)
4 Zusammenfassung (74-75)
5 Anhang (76-81)
Literaturverzeichnis (82-89)
Eigene Veröffentlichungen (90)