超大磁各向异性能的机理研究和材料探索

Magnetic anisotropic materials have important applications in information storage devices. This project will carry out a mechanism study and materials exploration of giant magnetic anisotropy energy (MAE). Using density functional calculations and cluster model calculations, the applicant will study the electronic structure of some absorbed magnetic atoms and molecules on certain surfaces, films, and two dimensional materials, with a care of the symmetry of the ligand fields, energy levels and their degeneracy. The applicant will then study multiplet effects and electronic correlation effects (if present), and compute the MAE due to spin-orbit coupling. Moreover, the applicant will select and design substrates with various lattice symmetries, probe the effects of a lattice strain and an external electric field, and study the spin-orbital states, and their transition, of the absorbed magnetic atoms and molecules. Then, the applicant will design and sort out the suitable atomic and molecular species to generate the giant MAE, by means of the coupling mechanism of the spin-orbital-charge-lattice degrees of freedom and their quantum control. This project will also study some magnetic anisotropic materials in a bulk phase, which will inspire the present materials design. In summary, this project aims to find a way to enhance the MAE, and to explore materials having the giant MAE. All this would help to develop atomic spin devices and nanoscale information storage devices.

磁各向异性材料在信息存储器件中有重要应用。本项目拟开展超大磁各向异性能的机理研究和材料探索。结合密度泛函计算和原子团模型计算，本项目将研究表面、薄膜、和二维材料的吸附磁性原子和分子的电子结构，特别是配位场对称性、吸附原子和分子的能级结构及简并度；研究多重态效应和可能的电子关联效应，计算自旋轨道耦合形成的磁各向异性能。本项目将选取和设计各样晶格对称性的衬底材料，研究应力和外电场的调控，探究吸附磁性原子和分子的自旋轨道态及其转变；利用自旋-轨道-电荷-晶格等多重自由度的耦合机制及量子调控，筛选出合适的吸附原子和分子，产生超大的磁各向异性能。本项目还将研究阐明一些体相的磁各向异性材料的机理，为本项目的材料设计提供灵感。总之，本项目旨在研究提升磁各向异性能的方法，探索具有超大磁各向异性能的材料系统，这些将有助于原子自旋器件和纳米尺度信息存储器件的发展。

本项目围绕新型自旋电子学材料，利用第一性原理的电子结构计算，结合晶体场能级图表、磁耦合模型、原子多重态分析、关联电子理论和蒙特卡洛模拟，以及光电导和磁光克尔效应的计算，研究了过渡金属化合物中丰富的自旋轨道物理和由此可能产生的超强磁各向异性，并开发其新颖的电、磁、光特性和相应的量子调控机制。本项目提出了一类强磁各向异性的材料系统，预言了首例二维伊辛铁磁半导体，提出了新型的电控磁光克尔效应，揭示了超晶格界面带来的磁耦合增强，并阐明了一系列过渡金属化合物中丰富多变的结构和电磁光特性。..本项目研究了如何提升二维磁性材料的磁有序温度，阐明了Fe3GeTe2铁磁薄膜和CrSb反铁磁薄膜构成的超晶格中，通过磁临近效应可以显著提高铁磁有序温度；研究了一类二维磁性材料，提出利用特殊的晶体场对称性和自旋轨道态来产生超强磁各向异性，并利用晶格应力来调控磁各向异性和超交换耦合，进而实现高温铁磁序的二维伊辛铁磁半导体；研究了一类多铁性金属有机框架材料，发现了新颖的电控磁光克尔效应，提出了基于铁电反铁磁体的电存光读新型器件的想法，并利用二维磁性材料异质结来实现层间耦合调控的磁光克尔效应；研究了利用晶格应力来调控二维材料的电子能带结构和光学性质，发现了层间耦合和层内相互作用之间奇特的竞争关系，为设计新型二维光电材料提供了新思路；本项目还研究了一系列过渡金属化合物中特殊的电荷-自旋-轨道态，利用多轨道超交换相互作用来设计层状的铁磁绝缘体材料，并计算模拟了压力和掺杂效应来调控电磁特性，为设计自旋电子学新材料提供了新思路。..本项目共发表论文15篇，其中通讯作者论文14篇，包括1篇Natl. Sci. Rev.、1篇J. Am. Chem. Soc.、4篇Phys. Rev. B (含1篇Rapid Commun.)、1篇Sci. Bull.、1篇ACS Appl. Mater. Interfaces、和1篇J. Mater. Chem. C等高水平论文。本项目培养了2名博士和2名硕士。在项目执行期间，项目负责人获邀2次国际会议邀请报告、1次国内会议邀请报告。