[논문 리뷰] Reinvestigation on large perpendicular magnetic anisotropy in Fe/MgO interface from first-principles approach

Nurul Ikhsan, Tomosato Kanagawa외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 08. 08.

Magnetic properties of thin films인용 수 3

한 줄 요약

이 첫 번째 원리 연구는 Fe/MgO 인터페이스에서 큰 수직 자기이상성(Perpendicular Magnetic Anisotropy, PMA)의 기원을 재조사하며, 인터페이스 Fe 3d 오비탈 혼성화와 전하 재분포가 PMA 향상에 핵심적임을 밝혀냈다. 이 연구는 주로 d_{xz+yz}와 d_{3z^2-r^2} 오비탈이 기여하는 것으로 규명되었으며, 최적화된 Fe(10ML)/MgO 구조에서 PMA 에너지가 최대 1.25 mJ/m²에 이르며, 스핀트로닉스 장치에서 PMA의 정량적 전자 기원을 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• Fe/MgO 이중층에서 큰 수직 자기이상성(PMA)의 전자 기원을 이해하는 것.
• 인터페이스 Fe 3d 오비탈이 강력한 PMA를 생성하는 데 수행하는 역할를 명확히 하는 것.
• 이전 이론적 및 실험적 보고서에서의 PMA 크기와 오비탈 기여도에 대한 모순을 해결하는 것.
• Fe 층 두께에 따른 PMA의 정량적 첫 번째 원리 설명을 제공하는 것.

제안 방법

• 일반화된 경사도 근사(GGA)를 사용한 밀도-functional 이론(DFT) 계산을 수행하였으며, 스핀-오비탈 결합을 고려했다.
• 수직 자화와 평면 내 자화 상태 간의 총 에너지 차이를 계산하여 PMA 에너지를 추출하였다.
• 주로 오비탈 프로젝션된 상태 밀도(DOS) 및 인터페이스 전하 밀도 분석을 통해 주요 3d 오비탈 기여도를 규명하였다.
• 1에서 10 밀리미터 층(ML)까지의 Fe 층 두께에 따른 분석을 수행하여 PMA의 진화를 연구하였다.
• 실험적 자화 데이터(참고 문헌 NozakiPRA2016)와의 비교를 통해 이론 모델의 타당성을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Fe/MgO 이중층에서 수직 자기이상성(PMA)에 기여하는 주요 Fe 3d 오비탈은 무엇인가?
• RQ2 Fe/MgO 시스템에서 Fe 층 두께에 따라 PMA 에너지는 어떻게 변화하는가?
• RQ3 인터페이스 전하 재분포가 PMA 향상에 미치는 역할는 무엇인가?
• RQ4 이론적 예측된 PMA는 가용한 실험 데이터와 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 10 밀리미터 층(ML) 두께의 Fe/MgO 시스템에서 PMA 에너지가 최대 1.25 mJ/m²에 도달하며, 이는 실험 관측 결과와 일치한다.
• d_{xz+yz}와 d_{3z^2-r^2} 오비탈이 인터페이스에서 강한 혼성화로 인해 PMA에 가장 크게 기여한다.
• Fe 두께가 증가함에 따라 인터페이스 Fe 3d 전자 밀도가 증가하며, 10 ML에서 최대에 도달하며 이는 최대 PMA와 상관관계가 있다.
• Fe 단일 층에 대한 이론적 자화 값은 실험 데이터와 양호한 일치를 보이며, 모델의 타당성을 뒷받침한다.
• d_{xy}와 d_{x^2-y^2} 오비탈은 PMA에 기여도가 낮아, 이질성 생성에 미미한 역할을 한다.
• 인터페이스에서의 전하 재분포가 스핀-오비탈 결합 효과를 강화시켜 직접적으로 PMA를 증폭시킨다.