基于过渡金属超高密度磁性存储单元的理论设计与性能模拟

磁记录与磁存储在电子信息技术中占有非常重要的地位，磁记录密度的提高一直是科技工作者致力攻克的目标之一。然而,阻碍记录单元不断减小的一个主要瓶颈是超小磁结构通常展示所谓的超顺磁性。寻找特殊的磁性材料使其具有超大的磁晶各向异性能是目前基础及应用磁学研究中的一个很重要的前沿课题。本项目拟设计以过渡金属单原子、原子链、过渡金属掺杂有机小分子为磁性存储单元的超高密度磁性存储材料；并分析缺陷、外界化学环境、内建应力对表面原子磁晶各向异性的影响规律，为提高磁性存储器件的可靠性提供理论依据和技术指导；研究磁性存储材料在外界电场、磁场和应变场下的响应规律，为实现对磁性材料的人工调控提供理论基础。积极探索新型磁性高密度存储材料，研究微观电子结构、自旋相关的微磁结构、交换耦合、表面和界面效应、应力应变等对材料功能特性的影响，可以指导新型高密度存储原理性器件的研制，推动工业和信息产业迅速发展。

随着数字技术的飞速发展，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。磁记录密度的进一步提高一直是科技工作者致力攻克的目标。为了提高磁存储密度，磁性记录单元必须进一步减小。为了克服记录单元变小而带来的热扰动问题，需要采用高垂直各向异性的材料来作为存储介质。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）研究了过渡金属单原子、原子对及其复合原子链在各种衬底上的磁晶各向异性，尽管自由的原子对、单原子链具有较大的各向异性，然而由于与衬底的相互作用，使得其各向异性能大大减小。此外，我们还研究了过渡金属磁性小分子的磁晶各向异性，发现相对于单原子而言，其磁晶各向异性大大提高，但仍然低于1meV。类似有机分子结构，我们将过渡金属镶嵌在石墨炔中，我们发现其磁晶各向异性与有机小分子相差不大，且相对磁性分子而言，更适合规则排列；（2）我们系统探索了磁性薄膜与各种表面的相互作用，研究表明由于衬底对磁性薄膜的相互作用极大的改变了磁性薄膜的电子分布，从而改变了其磁性各向异性。特别有意思的是，我们利用PbTiO3，BaTiO3的极化特性调控磁性薄膜与表面的相互作用，改变其电子结构特征，有效调控了其磁晶各向异性的大小；（3）我们通过外加电场、电荷注入、应力应变三种方式调控磁性材料的磁晶各向异性。研究表明应力应变调控手段响应较低；而外加电场、电荷注入调控手段机理类似，响应较大。计算表明，要得到大的响应率，两条关键的相互作用能带与的交点需要离费米面很近。且费米面与该交点的相对位置决定了电场与磁晶各向异性能的响应的方式和方向。以此为基础，我们探讨了重金属基底以及合金元素的掺杂对电场调控强度的影响，结果表明，引入4d重金属Rh、Pd后，虽然其垂直各向异性增大。而利用掺杂合金元素的方式，可以使磁性薄膜同时具有较高的垂直各向异性和大的电场响应率。特别地，可能实现磁化方向的翻转，因此，可以作为一种很有潜力的“电辅助”磁记录介质材料。. 在本项目的资助下，我们公开发表学术论文23篇，全部为SCI或SCIE收录；培养研究生14名，其中7人已毕业；资助15人次参加国内国际学术会议；