To study the impact of oxygen vacancies on spin-polarized transport, we have computed the electronic and transport properties of single (F centers) and paired (M centers) oxygen vacancies using density functional theory. These point defects can generate barrier heights as low as 0.4V for FeCo electrodes irrespective of the defect's spatial position within the barrier, and of the orientation of the M center. These defects promote a strong decrease in the conductance of the spin up channel in the magnetic tunnel junctions (MTJ)'s parallel (P) magnetic state that mainly accounts for an order-of-magnitude drop in TMR, from about 10000$\%$ in the ideal case toward values more in line with experiment. When placed in the middle layer of the MgO barrier, the F center introduces additional P $\uparrow$ transmission away from the $\Gamma$ point. This scattering lowers TMR to 145$\%$. In contrast, the M center merely broadens this transmission around $\Gamma$, thereby boosting TMR to 315$\%$. Rotating a M center so as to partly point along the transmission direction sharpens transmission around $\Gamma$, further increasing TMR to 1423$\%$. When these defects are placed at the MTJ interface, the transmission and ensuing TMR, which reaches $\approx$ 4000$\%$, suggest that such junctions behave as would an ideal MTJ, only with a much lower barrier height. Our results thus theoretically reconcile the concurrent observations of high TMR and low barrier heights, such as post-deposition oxidation of metallic Mg, which can generate oxygen vacancies at the lower MTJ interface, and annealing which can promote M centers over F centers.

中文翻译：

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单氧空位和双氧空位对 Fe/MgO/Fe 磁性隧道结中电子输运的影响

为了研究氧空位对自旋极化输运的影响，我们使用密度泛函理论计算了单个（F 中心）和成对（M 中心）氧空位的电子和输运特性。这些点缺陷可以为 FeCo 电极产生低至 0.4V 的势垒高度，而与势垒内缺陷的空间位置和 M 中心的方向无关。这些缺陷促使磁性隧道结 (MTJ) 的平行 (P) 磁态中自旋向上通道的电导急剧下降，这主要是 TMR 数量级下降的原因，从大约 10000$\% $ 在理想情况下更符合实验的值。当放置在 MgO 势垒的中间层时，F 中心会引入额外的 P$\uparrow$ 传输远离 $\Gamma$ 点。这种分散将 TMR 降低到 145$\%$。相比之下，M 中心只是在 $\Gamma$ 附近扩大了这种传输，从而将 TMR 提升到 315$\%$。旋转 M 中心以使其部分指向传输方向，会增强 $\Gamma$ 附近的传输，进一步将 TMR 增加到 1423$\%$。当这些缺陷位于 MTJ 界面时，传输和随后的 TMR 达到 $\approx$4000$\%$，表明这种结的行为与理想的 MTJ 一样，只是势垒高度要低得多。因此，我们的结果在理论上调和了同时观察到的高 TMR 和低势垒高度，例如金属 Mg 的沉积后氧化，这可以在较低的 MTJ 界面产生氧空位，以及可以促进 M 中心超过 F 中心的退火。M 中心只是在 $\Gamma$ 附近扩大了这种传输，从而将 TMR 提升到 315$\%$。旋转 M 中心以使其部分指向传输方向，会增强 $\Gamma$ 附近的传输，进一步将 TMR 增加到 1423$\%$。当这些缺陷位于 MTJ 界面时，传输和随后的 TMR 达到 $\approx$4000$\%$，表明这种结的行为与理想的 MTJ 一样，只是势垒高度要低得多。因此，我们的结果在理论上调和了同时观察到的高 TMR 和低势垒高度，例如金属 Mg 的沉积后氧化，这可以在较低的 MTJ 界面产生氧空位，以及可以促进 M 中心超过 F 中心的退火。M 中心只是在 $\Gamma$ 附近扩大了这种传输，从而将 TMR 提升到 315$\%$。旋转 M 中心以使其部分指向传输方向，会增强 $\Gamma$ 附近的传输，进一步将 TMR 增加到 1423$\%$。当这些缺陷位于 MTJ 界面时，传输和随后的 TMR 达到 $\approx$4000$\%$，表明这种结的行为与理想的 MTJ 一样，只是势垒高度要低得多。因此，我们的结果在理论上调和了同时观察到的高 TMR 和低势垒高度，例如金属 Mg 的沉积后氧化，这可以在较低的 MTJ 界面产生氧空位，以及可以促进 M 中心超过 F 中心的退火。旋转 M 中心以使其部分指向传输方向，会增强 $\Gamma$ 附近的传输，进一步将 TMR 增加到 1423$\%$。当这些缺陷位于 MTJ 界面时，传输和随后的 TMR 达到 $\approx$4000$\%$，表明这种结的行为与理想的 MTJ 一样，只是势垒高度要低得多。因此，我们的结果在理论上调和了同时观察到的高 TMR 和低势垒高度，例如金属 Mg 的沉积后氧化，这可以在较低的 MTJ 界面产生氧空位，以及可以促进 M 中心超过 F 中心的退火。旋转 M 中心以使其部分指向传输方向，会增强 $\Gamma$ 附近的传输，进一步将 TMR 增加到 1423$\%$。当这些缺陷位于 MTJ 界面时，传输和随后的 TMR 达到 $\approx$4000$\%$，表明这种结的行为与理想的 MTJ 一样，只是势垒高度要低得多。因此，我们的结果在理论上调和了同时观察到的高 TMR 和低势垒高度，例如金属 Mg 的沉积后氧化，这可以在较低的 MTJ 界面产生氧空位，以及可以促进 M 中心超过 F 中心的退火。达到 $\approx$ 4000$\%$，表明这种连接点的行为与理想的 MTJ 一样，只是势垒高度要低得多。因此，我们的结果在理论上调和了同时观察到的高 TMR 和低势垒高度，例如金属 Mg 的沉积后氧化，这可以在较低的 MTJ 界面产生氧空位，以及可以促进 M 中心超过 F 中心的退火。达到 $\approx$ 4000$\%$，表明这种连接点的行为与理想的 MTJ 一样，只是势垒高度要低得多。因此，我们的结果在理论上调和了同时观察到的高 TMR 和低势垒高度，例如金属 Mg 的沉积后氧化，这可以在较低的 MTJ 界面产生氧空位，以及可以促进 M 中心超过 F 中心的退火。