磁性存储材料研发中磁各向异性能(MAE)模拟

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概述

作为欧盟 COSMICS 研究项目的一部分,QuantumATK 团队与来自 SPEC CEA、巴黎萨克雷大学的科学家共同发表了一篇关于Fe、Co 和 Ni 片层的磁晶各向异性能(MAE)模拟的论文[1]。这项工作表明,利用 QuantumATK 进行模拟可以有效的研究控制MAE 的参数,例如这些材料(如块体,片层,表面或界面)的厚度和晶向。由于 MAE 的可调性通常是磁性材料的一种理想功能,因此建模是研究工作流程中设计具有最佳磁性特性的材料的重要组成部分。例如,诸如磁性随机存取存储器(MRAM)的新型存储器体系结构依赖于具有优化的 MAE 属性的材料来存储和保留信息。较大的 MAE 在给定的磁性状态下提供了良好的保持特性,即在一定时间内存储了磁化方向,而在二进制写入过程中,需要较低的 MAE 来随意切换磁化方向。

图1.(a)片层厚度范围为 1 到 15 层且晶向不同的 Co 的 MAE 的变化[1]。对于很小的厚度,观察到较大的 MAE 值以及较大的振荡幅度,而对于较厚的片层,MAE 往往比较稳定。 这可以通过检查 15 层 Co 体系的原子分辨的 MAE 来解释(b)。 尽管在表面两三层上观察到了最大的扰动,但下层消减了最外层的扰动,而在中心部分仅观察到了很小的振荡,收敛到块体的值。

使用 QuantumATK 模拟 MAE 的优势

  • QuantumATK 是唯一包含基于赝势的密度泛函理论(DFT)方法、LCAO 和平面波基组的程序。这使得计算过程中可以从LCAO 无缝转换到平面波基组,从而轻松在 MAE 模拟过程中在速度和精度之间寻找最佳平衡,使用 LCAO 基组可以进行更大体系的模拟。
  • MAE(即不同磁化方向的能量差)在数值上是很小的。为了提供准确的结果,QuantumATK 有很好的参数默认值(例如 k点采样和每个电子的能带),当然也可以轻松调整这些参数。 此外,QuantumATK 提供了有效的数值方法,将 MAE 分解为异质体系(例如表面、界面或任何类型的缺陷)中局域贡献的加和。
  • QuantumATK 提供了用于设置和分析结果的高级图形用户界面(GUI),如图 2 和图 3 所示。高级的重新启动功能使用户可以更高效地执行 MAE 模拟,因为它可以重新运行 MAE 模拟,轻松包含新的磁化方向和投影,而无需重新计算任何已经得到的中间数据。

图2. 使用NanoLab GUI设置MAE模拟。 指定磁化方向、投影(原子、原子和壳层、原子和轨道)、能量窗口和数值精度参数。

图3. 使用NanoLab GUI中图形化的MAE工具分析MAE计算结果,该结果是在可用磁化方向(原子/壳层/轨道上的投影MAE)下所选坐标的函数。图中为将结构和MAE组合作图。

参考

  1. L. Le Laurent, C. Barreteau, and T. Markussen, “Magnetocrystalline anisotropy of Fe, Co, and Ni slabs from density functional theory and tight-binding models”, Phys. Rev. B 100, 174426 (2019). arXiv: 1907.04532
  2. MAE手册:https://docs.quantumatk.com/manual/Types/MagneticAnisotropyEnergy/MagneticAnisotropyEnergy.html

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