[论文解读] 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 3

一句话总结

这项从头算研究重新审视了Fe/MgO界面处大垂直磁各向异性（PMA）的起源，揭示界面Fe 3d轨道杂化和电荷重分布是增强PMA的关键因素。该研究确定d_{xz+yz}和d_{3z^2-r^2}轨道为主要贡献者，优化的Fe(10ML)/MgO结构中PMA能量最高可达1.25 mJ/m²，为自旋电子器件中的PMA提供了定量的电子起源。

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.

研究动机与目标

• 理解Fe/MgO异质结构中大垂直磁各向异性（PMA）的电子起源。
• 阐明界面Fe 3d轨道在产生强PMA中的作用。
• 解决先前理论与实验报告中关于PMA大小和轨道贡献的矛盾之处。
• 提供Fe层厚度依赖的PMA的定量第一性原理解释。

提出的方法

• 采用广义梯度近似（GGA）结合自旋轨道耦合的从头算密度泛函理论（DFT）计算。
• 通过计算磁矩为垂直和水平取向的铁磁态之间的总能差，提取PMA能量。
• 利用轨道投影的态密度（DOS）和界面电荷密度分析，识别主要的3d轨道贡献。
• 对Fe层厚度（1至10单层）进行依赖性分析，研究PMA的演化行为。
• 与实验磁化数据（参考文献NozakiPRA2016）对比，验证理论模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 Fe 3d轨道在Fe/MgO异质结构中对垂直磁各向异性的主要贡献是什么？
• RQ2 Fe/MgO体系中PMA能量如何随Fe层厚度变化？
• RQ3 界面电荷重分布如何增强PMA？
• RQ4 理论预测的PMA与现有实验数据相比如何？

主要发现

• 在10单层Fe/MgO结构中，PMA能量达到最大值1.25 mJ/m²，与实验观测一致。
• d_{xz+yz}和d_{3z^2-r^2}轨道对PMA的贡献最为显著，归因于Fe/MgO界面处强烈的轨道杂化。
• 随着Fe厚度增加，界面Fe 3d电子密度上升，在10 ML时达到峰值，与最大PMA相对应。
• Fe单层的理论磁化值与实验数据良好吻合，验证了模型的可靠性。
• d_{xy}和d_{x^2-y^2}轨道对PMA的贡献较小，表明其在各向异性生成中作用微弱。
• 界面处的电荷重分布增强了自旋轨道耦合效应，直接放大了PMA。