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摘要：采用密度泛函理论（DFT）在广义梯度近似（GGA）下的平面波赝势方法，研究了Cu/FePt/MgO体系的晶体结构和磁性。通过几何优化得到了多层体系的晶格常数、电子和自旋分布以及磁矩的大小。分析了界面处Fe原子、O原子和Cu原子的杂化情况，发现Fe-O相互作用比Fe-Cu相互作用更强。
关键词：Cu/FePt/MgO多层体系；密度泛函理论；晶体结构；磁性
中图分类号：TB3 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）03-0242-01
随着现代信息技术的迅猛发展，特别是大数据、云存储等新概念的兴起，业界对高密度、大容量的磁记录器件的需求越来越强烈，超高密度磁记录存储材料的研究成为目前人们孜孜不倦的探求课题。在众多磁记录存储材料介质中，L10有序面心四方（fct）结构的FePt二元合金薄膜材料具有高达7×107 ergs/cm3的单轴磁各向异性能（MAE）和高矫顽力，这使它 在高密度磁存储介质材料方面有着廣阔的应用前景[1]。
实验上已经得出，MgO对于 FePt（001）薄膜的形成很有利，它可以提供面外各向异性从而减小面内变体。为增强FePt薄膜的磁各向异性能，前人进行了大量的研究，发现在FePt/MgO结构上盖帽能实现MAE的明显增强。所以在本文中，我们主要对Cu/FePt/MgO多层体系层间距、磁矩和界面杂化情况进行计算和分析。
1 计算方法
在计算过程中，我们采用了3层MgO、9层L10-FePt和5层Cu（001），其结构如图1所示，面内晶格常数固定为，其中a=3.89?为FePt块体的面内晶格常数。所有计算采用基于密度泛函理论（DFT）的VASP软件包，在基于广义梯度近似（GGA）的PBE交换能泛函的基础上进行。计算采取三步进行，即结构优化、静态计算和SOC非自洽计算，其中k点为 10×10×1 ，截断能为500eV，能量收敛标准为10-6 eV。
2 计算结果与分析
表1列出了计算Cu/FePt/MgO体系得到的层间距、原子自旋磁矩和轨道磁矩值，其中Fe1表示FePt/MgO界面处Fe原子，Fe2和Cu1分别表示Cu/FePt界面处的Fe原子和Cu原子。从表中可以看出FePt/MgO界面处Fe-O间长为2.319?，比Cu/FePt界面处Fe-Cu键长大0.576?，FePt中间层间距在1.89?左右。FePt/MgO界面处Fe原子自旋磁矩和轨道磁矩分别为0.187和0.031，Cu/FePt界面处Fe原子自旋磁矩和轨道磁矩分别为3.275和0.07，而中间FePt层Fe原子的自旋磁矩和轨道磁矩分别为3.284和0.074，这与已有的理论值相符[2]。从以上数据可以得出，由于FePt/MgO界面和Cu/FePt界面的存在，Fe-O和Fe-Cu存在杂化作用，导致界面处Fe原子d电子重排，使其自旋磁矩和轨道磁矩发生变化。
为进一步探究Cu/FePt/MgO体系界面处原子杂化情况，我们给出了界面处各原子的态密度图，如图2所示。其中，蓝色阴影和红色实线分别表示FePt/MgO界面处O原子与Fe原子的态密度，并记为Fe1，黑色实线与粉红色实线分别表示Cu/FePt界面处Fe原子和Cu原子的态密度，分别记为Fe2和Cu1。从图中我们可以看出FePt/MgO界面处Fe1原子和O原子重合较多，而Cu/FePt界面处Fe2原子和Cu1原子的重合部分较少，说明Fe-O杂化较强而Fe-Cu杂化较弱，这与Wanjiao Zhu 等人给出的结论相符[3]。
3 结论
我们采用密度泛函理论（DFT）计算了Cu/FePt/MgO多层体系，并得到了其晶格结构、自旋磁矩、轨道磁矩和态密度等，发现FePt/MgO界面处Fe原子与O原子杂化较强，而Cu/FePt界面处Fe原子和Cu原子杂化较弱，所以Fe-O相互作用比Fe-Cu间的相互作用更强。目前，已经有研究表明，在非铁磁/铁磁结构中可以通过外加电场的方法来调控异质结的磁性，因此，可以通过给Cu/FePt/MgO结构外加电场来调控多层膜的磁性，这也许可以被用来设计新的功能自旋电子设备。
参考文献：
[1] Cuadrado R， Chantrell R W. Interface magnetic moments enhancement of FePt?L10 /MgO（001）：An ab initio， study[J]. Phys.rev.b， 2014， 89（9）：106-112.
[2] Géranton G， Freimuth F， Blügel S， et al. Spin-orbit torques in L10?FePt / Pt， thin films driven by electrical and thermal currents[J]. Phys.rev.b， 2015， 91（1）.
[3] Zhu W， Ding H C， Gong S J， et al. First-principles studies of the magnetic anisotropy of the Cu/FePt/MgO system[J]. Journal of Physics Condensed Matter An Institute of Physics Journal， 2013， 25（39）：396001.
关键词：Cu/FePt/MgO多层体系；密度泛函理论；晶体结构；磁性
中图分类号：TB3 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）03-0242-01
随着现代信息技术的迅猛发展，特别是大数据、云存储等新概念的兴起，业界对高密度、大容量的磁记录器件的需求越来越强烈，超高密度磁记录存储材料的研究成为目前人们孜孜不倦的探求课题。在众多磁记录存储材料介质中，L10有序面心四方（fct）结构的FePt二元合金薄膜材料具有高达7×107 ergs/cm3的单轴磁各向异性能（MAE）和高矫顽力，这使它 在高密度磁存储介质材料方面有着廣阔的应用前景[1]。
实验上已经得出，MgO对于 FePt（001）薄膜的形成很有利，它可以提供面外各向异性从而减小面内变体。为增强FePt薄膜的磁各向异性能，前人进行了大量的研究，发现在FePt/MgO结构上盖帽能实现MAE的明显增强。所以在本文中，我们主要对Cu/FePt/MgO多层体系层间距、磁矩和界面杂化情况进行计算和分析。
1 计算方法
在计算过程中，我们采用了3层MgO、9层L10-FePt和5层Cu（001），其结构如图1所示，面内晶格常数固定为，其中a=3.89?为FePt块体的面内晶格常数。所有计算采用基于密度泛函理论（DFT）的VASP软件包，在基于广义梯度近似（GGA）的PBE交换能泛函的基础上进行。计算采取三步进行，即结构优化、静态计算和SOC非自洽计算，其中k点为 10×10×1 ，截断能为500eV，能量收敛标准为10-6 eV。
2 计算结果与分析
表1列出了计算Cu/FePt/MgO体系得到的层间距、原子自旋磁矩和轨道磁矩值，其中Fe1表示FePt/MgO界面处Fe原子，Fe2和Cu1分别表示Cu/FePt界面处的Fe原子和Cu原子。从表中可以看出FePt/MgO界面处Fe-O间长为2.319?，比Cu/FePt界面处Fe-Cu键长大0.576?，FePt中间层间距在1.89?左右。FePt/MgO界面处Fe原子自旋磁矩和轨道磁矩分别为0.187和0.031，Cu/FePt界面处Fe原子自旋磁矩和轨道磁矩分别为3.275和0.07，而中间FePt层Fe原子的自旋磁矩和轨道磁矩分别为3.284和0.074，这与已有的理论值相符[2]。从以上数据可以得出，由于FePt/MgO界面和Cu/FePt界面的存在，Fe-O和Fe-Cu存在杂化作用，导致界面处Fe原子d电子重排，使其自旋磁矩和轨道磁矩发生变化。
为进一步探究Cu/FePt/MgO体系界面处原子杂化情况，我们给出了界面处各原子的态密度图，如图2所示。其中，蓝色阴影和红色实线分别表示FePt/MgO界面处O原子与Fe原子的态密度，并记为Fe1，黑色实线与粉红色实线分别表示Cu/FePt界面处Fe原子和Cu原子的态密度，分别记为Fe2和Cu1。从图中我们可以看出FePt/MgO界面处Fe1原子和O原子重合较多，而Cu/FePt界面处Fe2原子和Cu1原子的重合部分较少，说明Fe-O杂化较强而Fe-Cu杂化较弱，这与Wanjiao Zhu 等人给出的结论相符[3]。
3 结论
我们采用密度泛函理论（DFT）计算了Cu/FePt/MgO多层体系，并得到了其晶格结构、自旋磁矩、轨道磁矩和态密度等，发现FePt/MgO界面处Fe原子与O原子杂化较强，而Cu/FePt界面处Fe原子和Cu原子杂化较弱，所以Fe-O相互作用比Fe-Cu间的相互作用更强。目前，已经有研究表明，在非铁磁/铁磁结构中可以通过外加电场的方法来调控异质结的磁性，因此，可以通过给Cu/FePt/MgO结构外加电场来调控多层膜的磁性，这也许可以被用来设计新的功能自旋电子设备。
参考文献：
[1] Cuadrado R， Chantrell R W. Interface magnetic moments enhancement of FePt?L10 /MgO（001）：An ab initio， study[J]. Phys.rev.b， 2014， 89（9）：106-112.
[2] Géranton G， Freimuth F， Blügel S， et al. Spin-orbit torques in L10?FePt / Pt， thin films driven by electrical and thermal currents[J]. Phys.rev.b， 2015， 91（1）.
[3] Zhu W， Ding H C， Gong S J， et al. First-principles studies of the magnetic anisotropy of the Cu/FePt/MgO system[J]. Journal of Physics Condensed Matter An Institute of Physics Journal， 2013， 25（39）：396001.