低维磁性材料磁晶各向异性的表面和界面效应及其人工调控

As an important smart material, low-dimensional magnetic material occupied a special position in funcational materials due their potential application in military affair and civil area. Magnetic record and magnetic memory play important roles in informational technology. The greatest expectation for the scientific researchers is the enhancement of the magnetic record density of magnetical medium. However, the super paramagnetism of the supersmall structure blocked the further decreasing size of the magnetic record element. The important subject is to find a magnetic medium with super-large magnetocrystalline anisotropy. In general, the magnetocrystalline anisotropy is determined by the type of the element,the local symmetry, the number of nearest atoms and the distance between the atoms. Hence, the surface and interface effects play key roles in magnetocrystalline anisotropy of low-dimensional magnetic material. In this project, we pay our attention on interface and surface effects on the magnetic anisotropy of low-dimensional magnetic material, especially for the magnetic anisotropy of low-dimensional magnetic material on metallic surface, polar surface and non-polar surface. Furthermore, we will manipulate the magnetic anisotropy through the control of spin-orbit coupling by applying strain and electrical field. With the results of electronic structure, charge distribution, spin and orbital coupling, effect of surface and interface, effect of strain and stress, one can understand the underline physical mechanism for magnetic anisotropy and give advice for the design of original magnetic device. Moreover, we will develop a program to design magnetoelectric materials with high magnetoelectric coupling coeffiecents.

低维磁性材料是一种重要的智能材料，在特种功能材料中占据重要地位，在军事、民用高新技术领域显示出广阔的应用前景。特别是作为重要的信息存储材料，低维磁性材料在电子信息技术领域占有很重要的地位。随着存储密度的提高，磁性记录单元必须纳米化。然而，阻碍磁记录单元纳米化的主要瓶颈在于微结构单元的超顺磁效应。解决问题的基本途径就是提高微结构单元的磁晶各向异性。微结构的磁晶各向异性主要取决于原子周围环境，因此表面效应、界面效应是影响低维磁性材料各向异性的关键因素。在本项目中将采用我们发展的新方法系统研究不同表面与低维磁性材料的相互作用，通过分析电荷转移等揭示表面、界面效应与低维磁性材料各向异性的耦合关联；研究应变、电场对低维磁性材料各向异性的调控机理，发展调控磁晶各向异性的可行性手段和方法；设计以磁电耦合系数为目标函数的计算软件，设计新型磁电耦合材料，拓展低维磁性材料的应用领域，指导其原理性器件的研制。

低维磁性材料是一种重要的智能材料，在特种功能材料中占据重要地位，在军事、民用高新技术领域显示出广阔的应用前景。特别是作为重要的信息存储材料，低维磁性材料在电子信息技术领域占有很重要的地位。随着存储密度的提高，磁性记录单元必须纳米化。然而，阻碍磁记录单元纳米化的主要瓶颈在于微结构单元的超顺磁效应。解决问题的基本途径就是提高微结构单元的磁晶各向异性。本项目主要以第一性原理为研究手段，研究表面效应、界面效应对低维磁性材料磁晶各向异性的影响规律，探讨微观电子结构、表面和界面效应与材料磁晶各向异性的内禀关系，探索调控低维磁性材料磁晶各向异性的基本手段和方法，为低维磁性材料应用提供基础研究，为磁电子原理性器件的设计提供依据。在本项目的资助下，我们（1）系统探讨了各种过渡金属元素修饰低维纳米薄膜如g-C3N4，graphyne、PC网格、POF网格、以及ITP分子的磁晶各向异性，计算表明，由于4d、5d过渡金属相对于3d过渡金属具有较高的自旋轨道耦合，4d、 5d过渡金属修饰低维材料的表面可以获得较高的磁晶各向异性，为设计高密度存储材料奠定了理论基础；（2）研究了电场、应变场、化学环境对低维磁性薄膜材料磁晶各向异性的影响规律，提出了轨道调控磁各向异性的理论方法。我们以O 原子吸附在M-PC网格中金属原子上方，使金属原子轨道发生重排，而通过电场控制 O 原子的高度可以对 d 电子的能级进行精准的调控，从而可以直接控制体系的磁晶各向异性能。通过对比，发现这种调控方式更为直接有效，且调控范围远远高于传统调控手段。（3）研究了金属表面、极性表面和常规半导体表面对磁各向异性的影响，特别是利用铁电薄膜铁电极化特性对磁晶各向异性的调控。研究指出，利用铁电材料的铁电极化可以使FePt铁磁材料的磁晶各向异性提高50%。铁电材料的引入，不仅克服了磁性记录材料读写困难，而且可以极大地降低微电子器件的功耗。.总之，在本项目的资助下，我们全面开展项目申请书规定的研究计划和内容。公开发表SCI学术论文15篇，培养研究生13名，其中1名硕士研究生获得湖南省优秀硕士论文；资助12人次参加国内学术会议，组织两次全国性学术会议。“一维纳米结构的固体理论研究”获得教育部自然科学二等奖。