电场对3d过渡金属及其合金薄膜磁晶各向异性能的调控

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随着数字技术的飞速发展,人们需要处理和记录海量信息,因此要求磁记录材料向高密度方向发展。磁记录密度的进一步提高一直是科技工作者致力攻克的目标。为了提高磁存储密度,磁性记录单元必须进一步减小。为了克服记录单元变小而带来的热扰动问题,需要采用高垂直各向异性的材料来作为存储介质。同时,由于这些材料具有较大的矫顽力,使得信息的写入变得非常困难。因此,能有效调控磁性记录单元的磁晶各向异性能是当前凝聚态物理中重要的研究方向。近年来,由于外加电场能有效调控磁性材料的磁晶各向异性(MCA),因而在磁存储方面有巨大的潜力,受到人们广泛的关注。外加电场调控磁晶各向异性实现方式简单,能耗低,表现出了巨大的应用价值。  为了寻找具有大的电场调控效应的磁性材料,人们在理论和实验上都进行了许多探索。研究发现,不同的磁性体系对电场的响应截然不同,而这背后的机制,目前依然很不清楚。在本文中,我们利用基于密度泛函理论的全势线性缀加平面波方法,从最简单的体系M/Cu(001)(M=Fe、Co、Ni)薄膜入手,探讨外加电场调控磁晶各向异性能的机制。我们发现,磁晶各向异性能对电场的响应率的大小对费米能级的位置非常敏感。计算表明,要得到大的响应率,两条关键的相互作用能带d xz与xyd(或3z2 r2d?与dyz)的交点需要离费米面很近。且费米面与该交点的相对位置决定了电场与磁晶各向异性能的响应的方式和方向。  以此为基础,我们探讨了重金属基底以及合金元素的掺杂对电场调控强度的影响,期望能够对新材料的探索起一定的指导作用。结果表明,对Fe/Cu(001)薄膜,将基底替换为4d重金属Rh、Pd后,虽然其垂直各向异性增大,但磁晶各向异性能对电场的响应率降低。而利用掺杂合金元素的方式,可以使Fe/Rh(001)薄膜同时具有较高的垂直各向异性和大的电场响应率。特别地,当Co的比例在0.5左右时,可能实现磁化方向的翻转,因此,可以作为一种很有潜力的“电辅助”磁记录介质材料。
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