几种反铁磁材料的电子结构及自旋轨道耦合效应的第一性原理计算研究

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反铁磁材料具有不受外磁场干扰、自旋动力速度快和净磁矩为零等特点,适合应用于下一代高速、低功耗、高密度的非易失磁性存储器件,可以用来解决现有基于铁磁性材料的磁性存储器中出现的一些难题,如读写速度慢、功耗较高、存储密度提升受限等。目前对反铁磁材料奈尔矢量的调控是基于电流产生的自旋轨道力矩效应(SOT),但通常需要较高的电流密度(107A/cm2),且通过各向异性磁电阻效应检测奈尔矢量的改变获得的开关比非常低。因此,需要找到更好地调控奈尔矢量的方式和具有高开关比的反铁磁材料。本文选取了NiO、Cu3TeO6和Mn2Au三种在自旋电子学上具有潜在应用价值的反铁磁材料,利用第一性原理计算对材料的能带结构、态密度、交换相互作用常数、磁子谱、磁晶各向异性能量(MAE)及各向异性常数等性质进行研究。并进一步研究应力造成晶格结构改变从而引起磁各向异性发生改变的情况。基于以上情形,本文主要工作如下:1.我们研究了NiO在应力条件下的性质。NiO畸变晶格与立方晶格对比,其磁各向异性发生很大改变,易轴由[-110]方向变为[110]方向。而且,畸变结构在(010)面和(110)面内各向异性能量最大值比立方晶格提高了近10倍,能量随角度的变化更加明显。NiO的磁子谱形状上与实验所得吻合,但能量最大值比实验值略低。2.我们研究了Cu3TeO6的性质。得到Cu3TeO6的带隙约为1.68 eV。在考虑海森堡交换相互作用第六近邻的情况下,通过线性自旋波理论得到Cu3TeO6磁子谱,其在高对称点处出现具有拓扑性质的交叉点,与实验结果相吻合。3.我们研究了Mn2Au在应力条件下的性质。Mn2Au中Mn的自旋磁矩约为3.62μB,易轴在(001)面内[010]或[100]方向。在应力条件下,Mn2Au呈现两种畸变结构,易轴都为[100]方向,(001)面内的各向异性提高了约60倍。Mn2Au原胞中海森堡交换相互作用常数约为-62.76 meV。其磁子谱在高对称路径X-T上简并,只考虑海森堡交换作用时,考虑更远的交换相互作用也不能使其发生劈裂。
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