不同维度铁磁材料自旋电子结构模拟、表征与调控

Since a rapid progressing of scientific, the materials of functional devices tend to achieve the nano-scale and low dimensional configurations. Benefited from those low dimensional effects, a variety of novel and peculiar properties in such function materials becomes a new focus in the spintronics. In this project, the first-principles simulations based on the density-functional theory will be employed to calculate the spin polarized band structures, the spin partial density of states and its in-plane distribution in different dimensions under certain temperatures and magnetic fields conditions. Based on the theoretical results, the quantum dots (0D), the quantum wires (1D) and the ultra-thin films (2D) of the magnetic metals, e.g. Fe, Co, Ni, will be prepared on graphene surface by a modulation of growth conditions. The topography of materials and the structures of spintronic electronic states, as well as the spatial distribution will be characterized in an atomic resolution by the spin polarized scanning tunneling microscopy. Accordingly, dimension dependent spin polarization and magnetic anisotropy will be analyzed. The exchange splitting of the surface states, spin density wave, super-paramagnetic effects et al. will be studied by varying the temperature and magnetic field. In the light of it, the noble metals (Pt, Au) with strong spin-orbital coupling will be constructed on graphene surface, to study their interaction with the different-dimensional ferromagnetic materials. From which, the mechanism of spin-orbit coupling effect on the spin properties of ferromagnetic materials will be revealed, in the purposes of control its spintronic properties.

随着科学技术的发展，功能材料器件趋于小尺度和低维度，许多新奇特性应运而生，尤其是电子自旋相关研究已成为本领域前沿热点。项目拟从第一性原理入手，计算不同维度铁磁材料(Fe、Co、Ni)在不同温度、磁场下自旋极化能带结构、自旋分波态密度及其特定能态二维空间分布。在此基础上，控制生长条件，在石墨烯表面构建铁磁材料零维量子点、一维量子线及二维超薄结构。利用自旋极化扫描隧道显微技术，表征不同维度铁磁材料的表面形貌、原子分辨的自旋电子态结构及其二维空间分布，以了解维度、尺寸与磁各向异性、自旋极化等特性的内在联系。研究温度、强磁场等对低维铁磁材料表面电子态交换劈裂、自旋密度波、超顺磁性等自旋相关特性的影响。进一步在石墨烯等二维表面上构建贵金属(Pt、Au)二维晶格，深入探索不同维度铁磁材料与贵金属的强电子自旋轨道耦合，揭示其影响铁磁材料特性的微观物理机制，进而实现对不同维度铁磁材料自旋特性的调控。

随着科学技术的发展，功能材料器件趋于小尺度和低维度，许多新奇特性应运而生，尤其是电子自旋相关研究已成为本领域前沿热点。本项目采用理论实验相结合的方法，首先对 Fe/MgO 和 Fe1-xCox/MgO 不同尺度异质结构的垂直磁各向异性、自旋极化能带结构、自旋分波态及其特定能态二维空间分布进行了研究，提出通过选择合适的 Fe、Co 比例可以使得 Fe1-xCox/MgO 结构获得比Fe/MgO更强的垂直磁各向异性；并对比Fe/MgO、Fe/FeO/MgO和Fe/FeB/MgO这三种异质界面的稳定构型以及自旋相关态在其界面的耦合作用，发现B在Fe/MgO界面能够有效的防止界面铁磁层的氧化，提高界面电子态耦合效率。此外，对Fe吸附单层GaSe材料的结构和自旋电子特性进行了系统的研究，发现Fe原子与其附近的Se和Ga原子之间存在较强的轨道耦合作用，从而使体系获得自旋极化率为100%的半金属性。进一步，控制生长条件，在石墨烯片层及具有Moire Patterm的HOPG表面构建Fe、Co零维量子点及一维量子线结构，利用扫描隧道显微技术表征不同维度铁磁材料表面形貌及电子态结构，认识了维度相关的电子态耦合特性；并在垂直于样品表面磁场下制备了Fe/MgO异质结，采用原子力显微技术和磁光克尔研究其原位外加磁场对材料表面形貌和磁性能的影响，结果显示随着磁场的增加，体系的磁矩方向逐渐呈现从面内转向面外的趋势，从而实现对其自旋电子特性的调控。以上研究结果为自旋结构材料的设计、构筑及特性研究提供了一定的依据，对发展下一代高性能自旋电子器件具有重要意义。