Science Advances：Fe/III-V族氮化物薄膜中的垂直磁各向異性

【引言】

最近，過渡金屬薄膜中的垂直磁各向異性為開發廣泛的自旋電子學應用提供了途徑。過渡金屬薄膜的PMA能級只有約1meV，這種限制成為超高密度存儲和存儲器件發展的瓶頸。磁性薄膜中的垂直磁各向異性可以產生豐富的物理性能，并成為磁性存取存儲器器件發展的關鍵驅動力，在納米結構和納米圖形化磁性多層膜中建立PMA為納米磁學鋪平了一條新途徑。

【成果簡介】

近日，來自美國新罕布什爾大學物理系的臧佳棟教授（通訊作者）的團隊在 Science Advances發表了題為Giant perpendicular magnetic anisotropy in Fe/III-V nitride thin films的文章，根據第一性原理計算，他們在III-V族氮化物的嵌入式圖像N-終端表面上發現了前所未有的PMA鐵薄膜生長，對稱保護的x²-y²和xy軌道之間的簡并性及其自旋軌道耦合的升力起主導作用。因此，Fe/III-V氮化物薄膜中的PMA主要受自旋軌道耦合的一階擾動控制，而不是常規過渡金屬/氧化物薄膜中的二階擾動。

【圖文導讀】

圖1：Fe（1ML）/III-V氮化物的PMA

a:在頂視圖，側視圖和透視圖中沉積在III-V氮化物XN（X = B，Al，Ga和In）襯底的嵌入圖像N端表面上的單層Fe的表面結構；

b: Fe（3d）的自旋多數（自旋向上）和少數（自旋向下）通道的晶場圖；

c:作為嵌入圖像的函數的Fe/III-V氮化物薄膜的每單位晶胞的相對總能量，其中θ表示磁化取向與z方向之間的角度。

圖2 ：Fe（1ML）/ GaN中Fe（3d）軌道的電荷分布和電子結構

a: Fe/GaN的總電荷密度與懸浮的1ML Fe和純GaN超單元的電荷密度的總和之間的正電荷和負電荷部分；

c-f: 在沒有SOC的情況下，軌道分解的投射狀態密度（PDOS）分別為3z² - r²，xz/yz和x² - y²/xy軌道；

g: 當包括SOC時，每個Fe（3d）軌道和PMA的職業編號作為Hubbard U的函數。

圖3：BN，AlN和InN上的1ML Fe電子結構

a: 沒有SOC的x² - y²/xy軌道的PDOS，自旋少數通道中的帶寬由雙箭頭表示；

b: 具有SOC的Fe（3d）的PDOS，在（D）中，陰影區域將投影投影到x²-y²/xy軌道上，其中分裂的大小由雙箭頭表示。

圖4：GGA-PBE，GGA +U和HSE06之間電子結構的比較

（A）GGA-PBE、（B）GGA+U和（C）HSE06得到的沒有SOC的Fe（1ML）/GaN的DOS（灰色虛線）和PDOS ，（B）和（C）之間的表示U=4.0eV時的GGA + U可以很好地描述該系統中的Fe（3d）軌道。

【小結】

文獻鏈接：Giant perpendicular magnetic anisotropy in Fe/III-V nitride thin films（Science Advances ,2018, DOI: 10.1126/sciadv.aar7814）

【團隊簡介】

臧佳棟教授領導了美國新罕布什爾大學物理系的凝聚態理論研究小組，主要致力于研究磁性和自旋電子學中的拓撲現象，特別的長期進行磁斯格明子方面的基礎物理和應用研究，近期的代表性文章可見https://physics.unh.edu/people/faculty/jiadong-zang。

這次的垂直各向異性材料是該團隊在相關領域的第一篇工作，此工作中的第一性原理計算由俞頡翔博士完成。

本文由材料人電子電工學術組楊超整理編輯。

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