几种反铁磁材料的电子结构及自旋轨道耦合效应的第一性原理计算研究

论文摘要

反铁磁材料具有不受外磁场干扰、自旋动力速度快和净磁矩为零等特点,适合应用于下一代高速、低功耗、高密度的非易失磁性存储器件,可以用来解决现有基于铁磁性材料的磁性存储器中出现的一些难题,如读写速度慢、功耗较高、存储密度提升受限等。目前对反铁磁材料奈尔矢量的调控是基于电流产生的自旋轨道力矩效应（SOT）,但通常需要较高的电流密度（107A/cm2）,且通过各向异性磁电阻效应检测奈尔矢量的改变获得的开关比非常低。因此,需要找到更好地调控奈尔矢量的方式和具有高开关比的反铁磁材料。本文选取了NiO、Cu3TeO6和Mn2Au三种在自旋电子学上具有潜在应用价值的反铁磁材料,利用第一性原理计算对材料的能带结构、态密度、交换相互作用常数、磁子谱、磁晶各向异性能量（MAE）及各向异性常数等性质进行研究。并进一步研究应力造成晶格结构改变从而引起磁各向异性发生改变的情况。基于以上情形,本文主要工作如下:1.我们研究了NiO在应力条件下的性质。NiO畸变晶格与立方晶格对比,其磁各向异性发生很大改变,易轴由[-110]方向变为[110]方向。而且,畸变结构在（010）面和（110）面内各向异性能量最大值比立方晶格提高了近10倍,能量随角度的变化更加明显。NiO的磁子谱形状上与实验所得吻合,但能量最大值比实验值略低。2.我们研究了Cu3TeO6的性质。得到Cu3TeO6的带隙约为1.68 eV。在考虑海森堡交换相互作用第六近邻的情况下,通过线性自旋波理论得到Cu3TeO6磁子谱,其在高对称点处出现具有拓扑性质的交叉点,与实验结果相吻合。3.我们研究了Mn2Au在应力条件下的性质。Mn2Au中Mn的自旋磁矩约为3.62μB,易轴在（001）面内[010]或[100]方向。在应力条件下,Mn2Au呈现两种畸变结构,易轴都为[100]方向,（001）面内的各向异性提高了约60倍。Mn2Au原胞中海森堡交换相互作用常数约为-62.76 meV。其磁子谱在高对称路径X-T上简并,只考虑海森堡交换作用时,考虑更远的交换相互作用也不能使其发生劈裂。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 自旋电子学
•     1.1.1 巨磁电阻效应
•     1.1.2 隧穿磁电阻效应
•     1.1.3 电流驱动磁矩翻转
•   1.2 反铁磁自旋电子学
•   1.3 本论文的研究内容
• 2 密度泛函理论与计算方法
•   2.1 密度泛函理论
•     2.1.1 多电子体系的薛定谔方程
•     2.1.2 绝热近似
•     2.1.3 Hohenberg-Kohn定理
•     2.1.4 Kohn-Sham方程
•     2.1.5 交换关联函数
•   2.2 磁学基本理论
•     2.2.1 磁各向异性
•     2.2.2 磁晶各向异性
•     2.2.3 磁性材料中的交换相互作用
•     2.2.4 线性自旋波理论
•   2.3 计算软件介绍
•     2.3.1 VASP简介
•     2.3.2 OpenMX简介
• 3 反铁磁材料NiO基本性质研究
•   3.1 反铁磁材料NiO的研究背景及意义
•   3.2 NiO研究的计算步骤及方法
•   3.3 NiO性质研究
•     3.3.1 NiO的晶体结构和DFT计算参数
•     3.3.2 NiO的GGA+U计算
•     3.3.3 应力情况下NiO磁晶各向异性的计算研究
•     3.3.4 NiO的交换相互作用常数及磁子谱
•   3.4 本章小结
• 3TeO₆的基本性质研究'>4 Cu₃TeO₆的基本性质研究
• 3TeO₆研究的背景及意义'>  4.1 Cu₃TeO₆研究的背景及意义
• 3TeO₆晶体结构及DFT计算参数'>  4.2 Cu₃TeO₆晶体结构及DFT计算参数
• 3TeO₆的电子结构性质'>  4.3 Cu₃TeO₆的电子结构性质
• 3TeO₆的交换相互作用常数及磁子谱'>  4.4 Cu₃TeO₆的交换相互作用常数及磁子谱
•   4.5 本章小结
• 2Au基本性质研究'>5 Mn₂Au基本性质研究
• 2Au研究的背景及意义'>  5.1 Mn₂Au研究的背景及意义
• 2Au的晶体结构及计算方法'>  5.2 Mn₂Au的晶体结构及计算方法
• 2Au的电子结构性质'>  5.3 Mn₂Au的电子结构性质
• 2Au的磁晶各向异性计算'>  5.4 Mn₂Au的磁晶各向异性计算
• 2Au交换相互作用常数及磁子谱'>  5.5 Mn₂Au交换相互作用常数及磁子谱
•   5.6 本章小结
• 6 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 攻读学位期间发表的论文

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 吴一川

导师: 吕京涛,张佳

关键词: 反铁磁自旋电子学,磁各向异性,磁子谱,第一性原理计算

来源: 华中科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 物理学,材料科学

单位: 华中科技大学

分类号: O469;TB34

DOI: 10.27157/d.cnki.ghzku.2019.000655

总页数: 58

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