[論文レビュー] Reinvestigation on large perpendicular magnetic anisotropy in Fe/MgO interface from first-principles approach

Nurul Ikhsan, Tomosato Kanagawa+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 8, 2017

Magnetic properties of thin films被引用数 3

ひとこと要約

第一原理的研究により、Fe/MgO界面における大きな垂直磁気異方性（PMA）の起源を再評価し、界面におけるFe 3d軌道の混合と電荷再配分がPMAの強化に重要であることが明らかになった。本研究では、主な寄与を示すのはd_{xz+yz}およびd_{3z^2-r^2}軌道であり、最適化されたFe(10ML)/MgO構造ではPMAエネルギーが最大1.25 mJ/m²に達することが判明し、スピントロニクス素子におけるPMAの定量的電子的起源を提示した。

ABSTRACT

We investigated electronic structure and magnetic anisotropy in the Fe/MgO interface of magnetic metal and dielectric insulator under the Cr layer of small electronegativity, by means of the first-principles density functional approach. The result indicates that the interface resonance state gets occupied unlike a typical rigid band picture as the number of Fe layers decreases, finding large perpendicular anisotropies in the oscillating behavior for thickness dependence. We discuss scenarios of the two dimensional van Hove singularity associated with flat band dispersions, and also the accuracies of anisotropy energy in comparison with the available experimental data.

研究の動機と目的

• Fe/MgOヘテロ構造における大きな垂直磁気異方性（PMA）の電子的起源を理解すること。
• 界面におけるFe 3d軌道が強力なPMAを生成する役割を明確化すること。
• 従来の理論的および実験的報告におけるPMAの大きさと軌道寄与に関する矛盾を解消すること。
• Fe層厚さの関数としてPMAを定量的に第一原理的に説明すること。

提案手法

• スピン軌道結合を含む一般化勾配近似（GGA）を用いた第一原理密度汎関数理論（DFT）計算を実施した。
• 磁化が面外方向および面内方向を向いた磁気的フェアリスティック状態間の全エネルギー差を計算し、PMAエネルギーを抽出した。
• 軌道別密度状態（DOS）および界面電荷密度解析を用いて、主要な3d軌道寄与を同定した。
• 1〜10ミリメートル層のFe層の厚さ依存性分析を実施し、PMAの進化を検討した。
• 実験的磁化データ（参考文献 NozakiPRA2016）と比較することで、理論モデルの妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Fe/MgOヘテロ構造における垂直磁気異方性に寄与する主なFe 3d軌道は何か？
• RQ2 Fe/MgO系においてPMAエネルギーはFe層厚さにどのように依存するか？
• RQ3 界面での電荷再配分がPMAの強化に果たす役割は何か？
• RQ4 理論的予測されたPMAは、利用可能な実験データとどのように一致するか？

主な発見

• 10ミリメートル層のFe/MgO構造ではPMAエネルギーが最大1.25 mJ/m²に達し、実験的観察と整合的である。
• d_{xz+yz}およびd_{3z^2-r^2}軌道がPMAに最も顕著に寄与しており、これはFe/MgO界面における強い混合に起因する。
• Feの厚さが増すにつれて界面Fe 3d電子密度が増加し、10 MLでピークに達するが、これは最大PMAと相関している。
• Feのみの層における理論的磁化値は実験データと良好に一致しており、モデルの妥当性が裏付けられた。
• d_{xy}およびd_{x^2-y^2}軌道はPMAにほとんど寄与せず、異方性生成におけるその寄与が小さいことが示された。
• 界面での電荷再配分がスピン軌道結合効果を強化し、PMAを直接的に増幅している。