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

【引言】

最近，过渡金属薄膜中的垂直磁各向异性为开发广泛的自旋电子学应用提供了途径。过渡金属薄膜的PMA能级只有约1meV，这种限制成为超高密度存储和存储器件发展的瓶颈。磁性薄膜中的垂直磁各向异性可以产生丰富的物理性能，并成为磁性存取存储器器件发展的关键驱动力，在纳米结构和纳米图形化磁性多层膜中建立PMA为纳米磁学铺平了一条新途径。

【成果简介】

近日，来自美国新罕布什尔大学物理系的臧佳栋教授（通讯作者）的团队在Science Advances发表了题为Giant perpendicular magnetic anisotropy in Fe/III-V nitride thin films的文章，根据第一性原理计算，他们在III-V族氮化物的嵌入式图像N-终端表面上发现了前所未有的PMA铁薄膜生长，对称保护的x²-y²和xy轨道之间的简并性及其自旋轨道耦合的升力起主导作用。因此，Fe/III-V氮化物薄膜中的PMA主要受自旋轨道耦合的一阶扰动控制，而不是常规过渡金属/氧化物薄膜中的二阶扰动。

【图文导读】

图1：Fe（1ML）/III-V氮化物的PMA

a:在顶视图，侧视图和透视图中沉积在III-V氮化物XN（X = B，Al，Ga和In）衬底的嵌入图像N端表面上的单层Fe的表面结构；

b: Fe（3d）的自旋多数（自旋向上）和少数（自旋向下）通道的晶场图；

c:作为嵌入图像的函数的Fe/III-V氮化物薄膜的每单位晶胞的相对总能量，其中θ表示磁化取向与z方向之间的角度。

图2：Fe（1ML）/ GaN中Fe（3d）轨道的电荷分布和电子结构

a: Fe/GaN的总电荷密度与悬浮的1ML Fe和纯GaN超单元的电荷密度的总和之间的正电荷和负电荷部分；

c-f: 在没有SOC的情况下，轨道分解的投射状态密度（PDOS）分别为3z²- r²，xz/yz和x²- y²/xy轨道；

g: 当包括SOC时，每个Fe（3d）轨道和PMA的职业编号作为Hubbard U的函数。

图3：BN，AlN和InN上的1ML Fe电子结构

a: 没有SOC的x²- y²/xy轨道的PDOS，自旋少数通道中的带宽由双箭头表示；

b: 具有SOC的Fe（3d）的PDOS，在（D）中，阴影区域将投影投影到x²-y²/xy轨道上，其中分裂的大小由双箭头表示。

图4：GGA-PBE，GGA +U和HSE06之间电子结构的比较

（A）GGA-PBE、（B）GGA+U和（C）HSE06得到的没有SOC的Fe（1ML）/GaN的DOS（灰色虚线）和PDOS ，（B）和（C）之间的表示U=4.0eV时的GGA + U可以很好地描述该系统中的Fe（3d）轨道。

【小结】

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

【团队简介】

臧佳栋教授领导了美国新罕布什尔大学物理系的凝聚态理论研究小组，主要致力于研究磁性和自旋电子学中的拓扑现象，特别的长期进行磁斯格明子方面的基础物理和应用研究，近期的代表性文章可见https://physics.unh.edu/people/faculty/jiadong-zang。

这次的垂直各向异性材料是该团队在相关领域的第一篇工作，此工作中的第一性原理计算由俞颉翔博士完成。

本文由材料人电子电工学术组杨超整理编辑。

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