低维金属有机化合物磁各向异性的第一性原理研究

发布时间：2020-08-01 21:57

【摘要】：信息技术是促使当前社会进步的一个重要推动力,随着各种新技术的出现,每天产生的数据都在呈指数级增长,人们对信息存储的需求也随之快速增长。当前使用最广泛的信息存储技术是磁性存储,其成本低,存储密度高,稳定性高,在众多领域得到应用。磁性存储是利用磁性材料作为存储介质,当每个存储单元保持特定方向磁化的磁化状态时,信息被存储在其中。磁存储介质需要有较大的磁各向异性来对抗热扰动等因素的影响,保持其磁化方向,使信息能够保持长期稳定。要提高磁性存储的密度,需要我们不断提高存储介质的磁各向异性,缩小单个存储单元的尺寸。当前的磁性存储正在朝着原子、分子(或团簇)的水平发展,其终极目标是实现单原子存储。磁各向异性主要来源于原子的自旋轨道耦合效应,过渡金属因为其未满的d轨道,且自旋轨道耦合较强,在磁性材料设计上潜力巨大。材料由块体到低维时,配位场发生巨大的变化,有利于增强其自旋轨道耦合作用,找到大的磁各向异性。本文利用第一性原理计算研究了低维有机材料支撑的5d过渡金属原子的磁各向异性,为设计低维磁性材料提供一些新的思路。首先研究了 5d过渡金属修饰的二维酞菁聚合物的磁性。对于单个金属原子修饰的体系(TM@Pc),Re原子修饰二维酞菁聚合物的磁各向异性能(MAE)高达20.7 meV。再用一个同核金属原子修饰,形成二聚体结构后,体系的易磁化轴会在平行于二维衬底和垂直二维衬底的方向切换。同时,在Os2@Pc和Ir2@Pc中发现了40 meV以上的磁各向异性能。我们分析了其电子结构,并讨论了它们的磁各向异性的来源。同时还讨论了其结构稳定性和磁耦合行为。其中的Re@Pc和Ir2@Pc有较高的居里温度,在磁存储器件上有着较大的应用潜力。接着,又研究了5d过渡金属修饰的二维卟啉聚合物的磁性。在W和Re原子修饰的二维卟啉中发现了大约24 meV的MAE。首次提出使用化学官能团修饰来调控二维金属有机材料的磁各向异性。当卟啉分子边缘的H原子被羟基和氨基取代后,Re修饰的维卟啉的MAE可以被增强到60 meV。对电子结构的分析表明,磁各向异性的增强可以被归因于取代基团引起的电荷重新分布和Re原子5d轨道能级的移动。报据计算,该体系的居里温度在200 K左右,稳定性也较好。化学官能团修饰为调控金属有机材料的磁各向异性提供了一个全新的思路。在二维金属有机Kagome晶格中也发现了较大的磁各向异性,分别研究了M3C12N12H12和M3C12O12两种晶格,其中Re3C12N12H12的MAE达到27.6 meV/atom。此外,这些材料还表现出强的铁磁耦合行为。通过蒙特卡洛模拟计算出W3C12O12的居里温度达到458 K,Re3C12N12H12的也达到291K。W3C12012还是一种自旋半金属材料,可以用于未来的自旋电子学器件。除了二维有机材料,磁性金属有机分子也是未来自旋电子学器件的候选材料。我们研究了基于5d过渡金属的茂合物(MCp2和M2Cp3)的磁各向异性。它们是由茂环(Cp)和过渡金属原子形成的三明治结构分子,能够为金属原子提供一个特殊的配位场,产生新的磁学性质。HfCp2和WCp2表现出了倾向于垂直于茂环平面的磁各向异性,MAE达到10 meV左右。我们进一步研究了三层过渡金属茂合物(M2Cp3)的磁各向异性,在Ta2Cp3中发现了超过60 meV的MAE。茂合物组成的变化,导致Ta原子受到的配位场发生变化,能级劈裂并发生移动,体系的MAE相比双层增强了很多。本论文通过在低维金属有机材料中改变过渡金属原子的配位环境,增强其自旋轨道耦合作用,设计出具有较大的磁各向异性的稳定结构,为未来的高密度磁性存储和自旋电子学器件找到一些可能的候选材料,对于设计新型磁性材料也有一定的指导意义。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O482.5
【图文】：

磁存储,多层膜结构,读写,巨磁阻效应

利用多层膜结构的巨磁阻效应磁头实现信息读写。光盘也是利用磁性薄膜存储信逡逑息，利用磁光克尔效应来读写信息。磁性随机存储器（ＭＲＡＭ）是一种非易失性存储器，逡逑能够作为计算机中的高速缓存。图１．１给出了常见的磁存储应用的不同结构［｜］，它们都逡逑是一些薄膜或者多层膜结构。逡逑Ｍｅｍｏｒｙ逦Ｍａｇｎｅｔｉｃ逡逑ｍｅｍｏｒｙ邋ｃｅｌｌ逡逑Ｒ｜ｍｅ逡逑Ｓｔｏｒａｇｅ逡逑Ｉ）ｉｓｋ逡逑图１．１磁存储应用中的不同结构ｍ逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ邋ｕｓｅｄ邋ｉｎ邋ｍａｇｎｅｔｉｃ邋ｓｔｏｒａｇｅ逡逑

示意图,磁各向异性,示意图

＿＿．逡逑图１．２磁各向异性能（ＭＡＥ）的示意图１１）１逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ａ邋ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｆｏｒ邋ｍａｇｎｅｔｉｃ邋ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ邋ｅｎｅｒｇｙ邋（ＭＡＥ）逡逑．３邋－逡逑

子结构,路径,原子吸附,理论计算

该值是目前实验测得的Ｆｅ的最大的ＭＡＥ［Ｗ］。Ｗｕ等人通过理论计算解释了邋Ｃｏ吸附在逡逑ＭｇＯ表面的磁各向异性的来源，并预言了邋Ｒｕ和Ｏｓ原子吸附在ＭｇＯ表面的ＭＡＥ分别逡逑达到１１０和２０８邋ｍｅＶ邋（见图１．４ｃ）邋［５８］。Ｂｒｎｎｅ等人还研究了自旋的动力学问题，稀土金逡逑属的Ｈｏ原子吸附在ＭｇＯ表面上（见图１．４ｄ和１．４ｅ），在１０Ｋ下的自旋驰豫时间达到逡逑１５００邋ｓ［５９］。此外，Ｂａｌａｓｈｏｖ等人将Ｆｅ和Ｃｏ原子吸附在Ｐｔ（ｌ邋１１）表面，测得的ＭＡＥ分别逡逑为６和１０ｍｅＶ［６７］。Ｂｏｕｈａｓｓｏｕｎｅ等人通过理论计算分析其ＭＡＥ的来源，并认为金属原逡逑子和Ｐｔ表面的有着较强的非局域相互作用，对ＭＡＥ的贡献较大［６５］。逡逑界面或者二维材料异质结也能为原子提供一个量子限域环境，也能够诱导出大的磁逡逑各向异性［６８＃］。由于其结构与当前使用器件中的多层膜结构类似，有利于与现在的制造逡逑工艺兼容。Ｏｄａ等人通过理论计算在Ｐｔ／Ｆｅ／Ｐｔ（００１）三明治结构界面发现了邋Ｆｅ原子单层的逡逑ＭＡＥ可达到５．２邋ｍｅＶ／ａｔｏｍ，其中Ｐｔ（００１）上覆盖的Ｆｅ和Ｐｔ均为单原子层厚［６８］。Ｒｕｉｚ－逡逑Ｄｉａｚ等人进一步研宄发现表面注入电荷可以大大增强Ｐｔ／Ｆｅ／Ｐｔ（００１）多层结构的磁各向异逡逑性

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