Cu/FePt/MgO多層體系的結構和磁性研究

韓小翠

摘要：采用密度泛函理論（DFT）在廣義梯度近似（GGA）下的平面波贗勢方法，研究了Cu/FePt/MgO體系的晶體結構和磁性。通過幾何優化得到了多層體系的晶格常數、電子和自旋分布以及磁矩的大小。分析了界面處Fe原子、O原子和Cu原子的雜化情況，發現Fe-O相互作用比Fe-Cu相互作用更強。

關鍵詞：Cu/FePt/MgO多層體系；密度泛函理論；晶體結構；磁性

中圖分類號：TB3 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）03-0242-01

隨著現代信息技術的迅猛發展，特別是大數據、云存儲等新概念的興起，業界對高密度、大容量的磁記錄器件的需求越來越強烈，超高密度磁記錄存儲材料的研究成為目前人們孜孜不倦的探求課題。在眾多磁記錄存儲材料介質中，L10有序面心四方（fct）結構的FePt二元合金薄膜材料具有高達7×107 ergs/cm3的單軸磁各向異性能（MAE）和高矯頑力，這使它 在高密度磁存儲介質材料方面有著廣闊的應用前景[1]。

實驗上已經得出，MgO對于 FePt（001）薄膜的形成很有利，它可以提供面外各向異性從而減小面內變體。為增強FePt薄膜的磁各向異性能，前人進行了大量的研究，發現在FePt/MgO結構上蓋帽能實現MAE的明顯增強。所以在本文中，我們主要對Cu/FePt/MgO多層體系層間距、磁矩和界面雜化情況進行計算和分析。

1 計算方法

在計算過程中，我們采用了3層MgO、9層L10-FePt和5層Cu（001），其結構如圖1所示，面內晶格常數固定為，其中a=3.89?為FePt塊體的面內晶格常數。所有計算采用基于密度泛函理論（DFT）的VASP軟件包，在基于廣義梯度近似（GGA）的PBE交換能泛函的基礎上進行。計算采取三步進行，即結構優化、靜態計算和SOC非自洽計算，其中k點為 10×10×1 ，截斷能為500eV，能量收斂標準為10-6 eV。

2 計算結果與分析

表1列出了計算Cu/FePt/MgO體系得到的層間距、原子自旋磁矩和軌道磁矩值，其中Fe1表示FePt/MgO界面處Fe原子，Fe2和Cu1分別表示Cu/FePt界面處的Fe原子和Cu原子。從表中可以看出FePt/MgO界面處Fe-O間長為2.319?，比Cu/FePt界面處Fe-Cu鍵長大0.576?，FePt中間層間距在1.89?左右。FePt/MgO界面處Fe原子自旋磁矩和軌道磁矩分別為0.187和0.031，Cu/FePt界面處Fe原子自旋磁矩和軌道磁矩分別為3.275和0.07，而中間FePt層Fe原子的自旋磁矩和軌道磁矩分別為3.284和0.074，這與已有的理論值相符[2]。從以上數據可以得出，由于FePt/MgO界面和Cu/FePt界面的存在，Fe-O和Fe-Cu存在雜化作用，導致界面處Fe原子d電子重排，使其自旋磁矩和軌道磁矩發生變化。

為進一步探究Cu/FePt/MgO體系界面處原子雜化情況，我們給出了界面處各原子的態密度圖，如圖2所示。其中，藍色陰影和紅色實線分別表示FePt/MgO界面處O原子與Fe原子的態密度，并記為Fe1，黑色實線與粉紅色實線分別表示Cu/FePt界面處Fe原子和Cu原子的態密度，分別記為Fe2和Cu1。從圖中我們可以看出FePt/MgO界面處Fe1原子和O原子重合較多，而Cu/FePt界面處Fe2原子和Cu1原子的重合部分較少，說明Fe-O雜化較強而Fe-Cu雜化較弱，這與Wanjiao Zhu 等人給出的結論相符[3]。

3 結論

我們采用密度泛函理論（DFT）計算了Cu/FePt/MgO多層體系，并得到了其晶格結構、自旋磁矩、軌道磁矩和態密度等，發現FePt/MgO界面處Fe原子與O原子雜化較強，而Cu/FePt界面處Fe原子和Cu原子雜化較弱，所以Fe-O相互作用比Fe-Cu間的相互作用更強。目前，已經有研究表明，在非鐵磁/鐵磁結構中可以通過外加電場的方法來調控異質結的磁性，因此，可以通過給Cu/FePt/MgO結構外加電場來調控多層膜的磁性，這也許可以被用來設計新的功能自旋電子設備。

參考文獻：

[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.