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标题 Cu/FePt/MgO多层体系的结构和磁性研究
范文

    韩小翠

    摘要:采用密度泛函理论(DFT)在广义梯度近似(GGA)下的平面波赝势方法,研究了Cu/FePt/MgO体系的晶体结构和磁性。通过几何优化得到了多层体系的晶格常数、电子和自旋分布以及磁矩的大小。分析了界面处Fe原子、O原子和Cu原子的杂化情况,发现Fe-O相互作用比Fe-Cu相互作用更强。

    关键词:Cu/FePt/MgO多层体系;密度泛函理论;晶体结构;磁性

    中图分类号:TB3 文献标识码:A 文章编号:1009-3044(2018)03-0242-01

    随着现代信息技术的迅猛发展,特别是大数据、云存储等新概念的兴起,业界对高密度、大容量的磁记录器件的需求越来越强烈,超高密度磁记录存储材料的研究成为目前人们孜孜不倦的探求课题。在众多磁记录存储材料介质中,L10有序面心四方(fct)结构的FePt二元合金薄膜材料具有高达7×107 ergs/cm3的单轴磁各向异性能(MAE)和高矫顽力,这使它 在高密度磁存储介质材料方面有着廣阔的应用前景[1]。

    实验上已经得出,MgO对于 FePt(001)薄膜的形成很有利,它可以提供面外各向异性从而减小面内变体。为增强FePt薄膜的磁各向异性能,前人进行了大量的研究,发现在FePt/MgO结构上盖帽能实现MAE的明显增强。所以在本文中,我们主要对Cu/FePt/MgO多层体系层间距、磁矩和界面杂化情况进行计算和分析。

    1 计算方法

    在计算过程中,我们采用了3层MgO、9层L10-FePt和5层Cu(001),其结构如图1所示,面内晶格常数固定为,其中a=3.89?为FePt块体的面内晶格常数。所有计算采用基于密度泛函理论(DFT)的VASP软件包,在基于广义梯度近似(GGA)的PBE交换能泛函的基础上进行。计算采取三步进行,即结构优化、静态计算和SOC非自洽计算,其中k点为 10×10×1 ,截断能为500eV,能量收敛标准为10-6 eV。

    2 计算结果与分析

    表1列出了计算Cu/FePt/MgO体系得到的层间距、原子自旋磁矩和轨道磁矩值,其中Fe1表示FePt/MgO界面处Fe原子,Fe2和Cu1分别表示Cu/FePt界面处的Fe原子和Cu原子。从表中可以看出FePt/MgO界面处Fe-O间长为2.319?,比Cu/FePt界面处Fe-Cu键长大0.576?,FePt中间层间距在1.89?左右。FePt/MgO界面处Fe原子自旋磁矩和轨道磁矩分别为0.187和0.031,Cu/FePt界面处Fe原子自旋磁矩和轨道磁矩分别为3.275和0.07,而中间FePt层Fe原子的自旋磁矩和轨道磁矩分别为3.284和0.074,这与已有的理论值相符[2]。从以上数据可以得出,由于FePt/MgO界面和Cu/FePt界面的存在,Fe-O和Fe-Cu存在杂化作用,导致界面处Fe原子d电子重排,使其自旋磁矩和轨道磁矩发生变化。

    为进一步探究Cu/FePt/MgO体系界面处原子杂化情况,我们给出了界面处各原子的态密度图,如图2所示。其中,蓝色阴影和红色实线分别表示FePt/MgO界面处O原子与Fe原子的态密度,并记为Fe1,黑色实线与粉红色实线分别表示Cu/FePt界面处Fe原子和Cu原子的态密度,分别记为Fe2和Cu1。从图中我们可以看出FePt/MgO界面处Fe1原子和O原子重合较多,而Cu/FePt界面处Fe2原子和Cu1原子的重合部分较少,说明Fe-O杂化较强而Fe-Cu杂化较弱,这与Wanjiao Zhu 等人给出的结论相符[3]。

    3 结论

    我们采用密度泛函理论(DFT)计算了Cu/FePt/MgO多层体系,并得到了其晶格结构、自旋磁矩、轨道磁矩和态密度等,发现FePt/MgO界面处Fe原子与O原子杂化较强,而Cu/FePt界面处Fe原子和Cu原子杂化较弱,所以Fe-O相互作用比Fe-Cu间的相互作用更强。目前,已经有研究表明,在非铁磁/铁磁结构中可以通过外加电场的方法来调控异质结的磁性,因此,可以通过给Cu/FePt/MgO结构外加电场来调控多层膜的磁性,这也许可以被用来设计新的功能自旋电子设备。

    参考文献:

    [1] Cuadrado R, Chantrell R W. Interface magnetic moments enhancement of FePt?L10 /MgO(001):An ab initio, study[J]. Phys.rev.b, 2014, 89(9):106-112.

    [2] Géranton G, Freimuth F, Blügel S, et al. Spin-orbit torques in L10?FePt / Pt, thin films driven by electrical and thermal currents[J]. Phys.rev.b, 2015, 91(1).

    [3] Zhu W, Ding H C, Gong S J, et al. First-principles studies of the magnetic anisotropy of the Cu/FePt/MgO system[J]. Journal of Physics Condensed Matter An Institute of Physics Journal, 2013, 25(39):396001.

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更新时间:2025/3/16 14:41:30