Magnetic tunnel junctions (MTJ) with MgO/Fe based interfaces and out-of-plane spin direction form the basis of present-day spin-transfer-torque magnetic random-access memory (STT-MRAM) devices. They are a leading type of nonvolatile memory due to their very long endurance times and lack of reliability problems. Many semiconductor devices, such as the field effect transistor or nonvolatile memories, have undergone fundamental changes in materials design as dimensional scaling has progressed. Here, we consider how the future scaling of the MTJ dimensions might affect materials choices and compare the performance of different tunnel barriers, such as 2D materials like h-BN with the existing MgO tunnel barriers. We first summarize key features of MgO-based designs of STT-MRAM. We then describe general aspects of the deposition of 2D materials and h-BN on metals. We compare the band structures of MgO and h-BN with their band gaps corrected for the GGA band error. The different absorption sites of h-BN on Fe or Co are compared in terms of physisorbtive or chemisorbtive bonding sites and how this affects their spin-polarized bands and the transmission magneto-resistance (TMR). The transmission magneto-resistance is found to be highest for the physisorptive sites. We look at how these changes would affect the overall TMR and how scaling might progress.

中文翻译：

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Fe、Co磁性隧道结中六方氮化硼和MgO隧道势垒的比较

具有基于 MgO/Fe 的界面和面外自旋方向的磁性隧道结 (MTJ) 构成了当今自旋转移扭矩磁性随机存取存储器 (STT-MRAM) 器件的基础。它们是一种领先的非易失性存储器，因为它们具有非常长的耐用时间和缺乏可靠性问题。随着尺寸缩放的进展，许多半导体器件，例如场效应晶体管或非易失性存储器，在材料设计方面发生了根本性的变化。在这里，我们考虑 MTJ 尺寸的未来缩放可能如何影响材料选择，并比较不同隧道势垒的性能，例如 h-BN 等二维材料与现有的 MgO 隧道势垒。我们首先总结了基于 MgO 的 STT-MRAM 设计的关键特征。然后我们描述了在金属上沉积 2D 材料和 h-BN 的一般方面。我们比较了 MgO 和 h-BN 的带结构及其带隙校正 GGA 带误差。在物理吸附或化学吸附结合位点以及这如何影响它们的自旋极化带和透射磁阻 (TMR) 方面，比较了 h-BN 在 Fe 或 Co 上的不同吸收位点。发现传输磁阻对于物理吸附位点最高。我们研究这些变化将如何影响整体 TMR 以及扩展可能如何进展。在物理吸附或化学吸附结合位点以及这如何影响它们的自旋极化带和透射磁阻 (TMR) 方面，比较了 h-BN 在 Fe 或 Co 上的不同吸收位点。发现传输磁阻对于物理吸附位点最高。我们研究这些变化将如何影响整体 TMR 以及扩展可能如何进展。在物理吸附或化学吸附结合位点以及这如何影响它们的自旋极化带和透射磁阻 (TMR) 方面，比较了 h-BN 在 Fe 或 Co 上的不同吸收位点。发现传输磁阻对于物理吸附位点最高。我们研究这些变化将如何影响整体 TMR 以及扩展可能如何进展。