Theoretical design of organometallic molecules with giant magnetocrystalline anisotropy from first principles calculations

从第一原理计算具有巨磁晶各向异性的有机金属分子的理论设计

基本信息

批准号：
16J07422
负责人：
名和憲嗣
金额：
$ 0.83万
依托单位：
Mie University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2016
资助国家：
日本
起止时间：
2016-04-22 至 2018-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

磁気記録デバイスの更なる高密度化及び小型化を目指し、強い垂直磁気異方性を持つ新規物質の探索やそれらを活用した材料設計が求められている。有機金属錯体分子材料は、単分子スケールでの極小磁性素子として期待され、近年注目されている。平面型構造を持つ遷移金属フタロシアニン（TMPc）分子は、分子中心にあらゆるTM原子を配位させることができ、その物性はTM原子種により顕著に変化する。そこで本研究では、3d, 4d, 5d系のTMPcを用い、単一、分子薄膜、及びバルク状態での電子構造と磁性を理論的に調べ、特に垂直磁気異方性の発現機構について考察した。ここでは、TM原子のd軌道間にはたらく強相関効果を定量的に取り扱うために+U法を採用し、平成28年度に開発した線形応答理論計算により有効オンサイトクーロン相互作用パラメータを導出した。また、全ての計算はフルポテンシャル線形化補強平面波法に基づく第一原理計算により実施した。各モデルにおいて結晶磁気異方性エネルギーMAEをForce理論により評価したところ、3d-Mn及び同族元素である4d-Tcや5d-Re系TMPcにおいて、磁化容易軸が分子面に対して垂直方向を示した。また、3dから4d, 5dとスピン軌道相互作用(SOC)力が大きくなるにつれてMAEも増大する傾向が得られた。バンド計算により電子構造を解析したところ、分子間でのTM原子のdxz(yz)軌道が互いに軌道混成することにより4Egのd電子配置が基底状態として安定化することを確認した。さらに、摂動論に基づく解析から、これらの軌道がフェルミ準位近傍でSOCを介して垂直方向に磁化を安定させるように強く寄与していることを明らかにした。以上、金属フタロシアニン分子の電子構造と磁性を調べた結果、分子間の強い軌道混成に由来する垂直磁気異方性の発現機構に関する知見が得られた。

为了进一步提高磁记录装置的密度和小型化，需要寻找具有强垂直磁各向异性的新材料并设计利用它们的材料。有机金属复合分子材料有望作为单分子尺度上的极小磁性元件，近年来引起了人们的关注。过渡金属酞菁（TMPc）分子具有平面结构，可以在分子中心配位任意TM原子，其物理性质根据TM原子的类型而显着变化。因此，在本研究中，我们从理论上研究了3D、4D和5D TMPc在单态、分子薄膜态和体态下的电子结构和磁性，特别考虑了垂直磁各向异性的机制。在这里，我们采用+U方法定量处理TM原子d轨道之间的强相关效应，并利用2016年开发的线性响应理论计算推导了有效的现场库仑相互作用参数。所有计算均使用基于全势线性化增强平面波方法的第一原理计算进行。当使用力理论评估每个模型的磁晶各向异性能MAE时，发现3d-Mn及其同系元素4d-Tc和5d-Re TMPc的易磁化轴垂直于分子平面。此外，随着自旋轨道相互作用（SOC）力从3d增加到4d再到5d，MAE趋于增加。当通过能带计算分析电子结构时，证实了由于分子中TM原子的dxz(yz)轨道的轨道杂化，4Eg的d电子构型稳定为基态。此外，基于微扰理论的分析表明，这些轨道对通过SOC稳定费米能级附近垂直方向的磁化强度有很大贡献。通过研究金属酞菁分子的电子结构和磁性，我们获得了关于分子间强轨道杂化产生垂直磁各向异性的机制的知识。

项目成果

期刊论文数量（0）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

Van der Waals interfaces: TI/superconductor and semiconductor

范德华接口：TI/超导和半导体

DOI：
发表时间：
2017
期刊：
影响因子：
0
作者：
Arsham Ghasemi; Demie Kepaptsoglou; Kenji Nawa; Susannah Speller; Pedro Galindo; Quentin Ramasse; Kohji Nakamura; Thorsten Hesjedal; Vlado Lazarov
通讯作者：
Vlado Lazarov

ウィスコンシン大学ミルウォーキー校(米国)

威斯康星大学密尔沃基分校（美国）