磁记录单元磁晶各向异性的基底效应与性能调控

Due to the density of the traditional magnetic storage materials has reached its bottleneck, researchers are committed to explore and develope high density magnetic storage materials. The ultimate goal of the development of magnetic storage materials is to achieve atomic scale information storage. Recently, both experimental and our theoretical studies show that the substrate has substantial effect on performance of magnetic storage units. To realize the atomic scale information storage, many efforts have been devoted to seek a suitable substrate to host the magnetic storage bits. An important criterion to measure an ideal substrate material is to be able to make the recording unit to maintain large perpendicular magnetic anisotropy energy. In this project, combining the first-principles and several computational technologies, we will firstly investgate the transition metal atoms adsorb on different substrates and the transition metal organic frameworks to gain the system with high stability, large magnetic anisotropy and ordered arrangement. With the results of electronic structures, one can understand the interaction between transition metal atoms and surrounding atoms, and then reveal the internal connection of crystal field and magnetocrystalline anisotropy. Secondly, we will introduce the rare-earth metal atom to increase the spin relaxation time. Finally, we will manipulate the magnetic anisotropy through external element intrusion and charge injection. This project will provide a theoretical basis for the design of atomic scale storage materials.

传统磁存储材料的密度已经达到其瓶颈，原子尺度的磁存储是未来磁存储技术发展的方向。最近的一些实验和我们前期的理论研究表明基底效应对磁记录单元性能有着显著的影响。实现原子尺度的信息存储，必须要寻找合适的基底材料使记录单元保持较大的垂直磁晶各向异性能。本项目拟结合第一性原理和多种计算方法研究过渡金属原子吸附在不同基底表面和过渡金属有机框架结构。通过分析电子结构，了解过渡金属原子与周围原子的相互作用机制，揭示晶体场与磁晶各向异性能的内在联系，筛选出具有稳定性高、磁晶各向异性能大、排列有序的体系；研究过渡金属原子-稀土金属原子复合体系的磁性，为实验上实现高自旋弛豫时间提供理论依据；并探索外界化学环境及注入电荷对这些复合体系磁晶各向异性能的影响，为实现对磁性材料物理性能的人工调控提供理论依据。

随着信息技术的飞速发展，人们需要处理和记录海量信息，因此要求磁记录材料向高密度方向发展。而传统磁存储材料的密度已经达到其瓶颈，原子尺度的磁存储是未来磁存储技术发展的方向。基底效应对磁记录单元性能有着显著的影响。实现原子尺度的信息存储，必须要寻找合适的基底材料使记录单元保持较大的垂直磁晶各向异性能。同时，由于这些材料具有较大的矫顽力，使得信息的写入变得非常困难。因此，能有效调控磁性记录单元的磁晶各向异性能是当前凝聚态物理中重要的研究方向。为设计超高密度磁性存储单元，在本项目的资助下，我们系统开展了如下研究：1）研究了过渡金属有机小分子的磁晶各向异性，尽管这类体系可以得到较大的磁晶各向异性能，但是不利于磁存储单元的规则分布。因此我们考虑了将过渡金属原子嵌入二维有机框架结构，不仅能得到非常可观的磁晶各向异性能，而且磁性原子可以规则有序的排列；2）我们系统探索了注入电荷、应变对磁存储材料磁晶各向异性能的影响机理。研究表明注入电荷可以调节过渡金属原子有机小分子费米能级的位置，从而增强其磁晶各向异性能，而且可以改变其易轴方向。而对于二维过渡金属有机框架结构，应变可以改变过渡金属原子的局域配位环境导致过渡金属d轨道电子占据重新分布尤其是费米能级附近的d轨道，从而影响其磁晶各向异性能。3）二维磁性材料由于其丰富的物理性质在近些年受到广泛关注，因此开展了新型二维磁性材料作为磁存储方面应用的探索。我们预测了两种具有高居里温度的二维磁性材料，其中Ta2O3的磁晶各向异性能高达43meV。此外，我们提出单层Janus 结构的CrGe(Se, Te)3，在没有磁场的情况下，可以自发形成纳米级的斯格明子（拓扑电荷为±1）及在二维体系中首次发现的2π斯格明子态（skyrmionium，拓扑电荷为零），这些拓扑自旋结构在新型磁性存储领域具有潜在应用。本项目对磁存储单元磁晶各向异性能及其调控的研究，对理解磁晶各向异性能的微观机理和实现其人工调控具有重要意义。