白金表面上鉄の電子状態と磁気異方性
辻川雅人, 小田竜樹
金沢大学自然科学研究科
tujikawa@cphys.s.kanazawa-u.ac.jp
概要：経験的パラメータを用いずに物質の電子状態を計算できる密度汎関数理論に基づく第一原理計
算を用いて、白金表面上の鉄の電子状態と磁気異方性について調べた。白金(001)表面を鉄で覆った系では、白金原子でキャップすることにより大きな面直方向の磁気異方性を示す結果が得られた。白
金微斜面段差端の鉄鎖についても磁気異方性エネルギーの見積もりを行った。大型並列計算機を駆使して、ナノスケールの微細構造をもつ磁性表面の微小な磁気異方性エネルギーの見積もりに成功した。

1

はじめに面緩和の影響についても調べているのが、本研究

鉄白金系は面心立方格子型(L10 型)の規則合金の特徴である。計算は、白金(111)面を鉄で覆ったが非常に強い磁気異方性を示すことから、次世代系や鉄一原子鎖を一列おきに配置した系についての磁気記録メディアの磁性材料やスピントロニク調べた。また、白金(001)面に鉄を一原子層積層さスデバイス実現材料として注目を集めている。一せた系や鉄層の上に白金層を積層させた系につい方、Gambardella らによって分子線エピタキシャても調べた。白金表面上の鉄鎖についても、白金ル成長を用いた、白金(997) 微斜面ステップ端に(664)微斜面上の鉄鎖について、磁気異方性の見積自己組織化したコバルト一原子鎖の作製と磁性測もりを行った。

定が行われた[1]。このように、表面上にナノスケ使用した計算機は、日立 SR11000 モデル J(理論ールの微細構造を作成する技術の進歩により、鉄ピーク性能 121.6GFLOPS/ノード)である。今回計

白金系においても白金表面上の鉄鎖[2]や鉄白金薄算を行った中で最も系の大きな白金(664)微斜面膜[3]の作成がなされている。

上の鉄鎖の計算（単位胞当り２２原子）について

本研究では、経験的パラメータを用いない第一詳細を示す。平面波のカットオフエネルギーは波原理電子状態計算を用いて白金表面上の鉄につい動関数について 30Ry、電子密度について 300Ryて磁気異方性エネルギー(MAE)を見積もるとともとした。ブリュアンゾーン内の積分は 6×32×に、大きな磁気異方性を持つ構造の探索を行った

1(192 点)の k 点メッシュで計算を実行した。MPI[4,5]。現在、原子スケールでの構造と磁気異方性によるｋ点並列計算を行っており、6 ノードの関係についての理解が進んでいる。

(96CPU)を用いた計算で理論ピーク性能の 17%程度の性能が得られている。1 つの MAE を見積もる

2手法のに 200 時間の計算時間を必要とした。

計算には、密度汎関数理論に局所密度近似を用いた、平面波基底の第一原理分子動力学コード[6]3結果を使用している。 MAE を見積もるためには、磁白金(111)面上に鉄一原子層を配置した系では、気異方性の主な起源となっているスピン軌道相互面内の磁化容易軸を持つ結果が得られた。白金作用を導入することが必要であり、この相互作用(111)面上鉄鎖の系では、磁化容易軸は鎖ののびたは相対論的擬ポテンシャルを用いることにより自方向であり、MAE の絶対値は 2.31meV/Fe であっ己無撞着に取り入れられている。ノンコリニア磁た。また、表面緩和を行うと、MAE の絶対値が緩性のスピノル型波動関数を導入するため、コリニ和前の 2 倍程度まで増大しており、磁気異方性アー磁性計算に比べ計算時間が 6～10 倍程度となの計算において表面緩和の影響を取り入れることっており大きな計算資源が必要となっている。の重要性があきらかになった。

MAE は磁化方向を変えたときの全エネルギー白金(001)面上に鉄を一原子層積層させた系での差として見積っている。擬ポテンシャル法を用

は、図１に示すように理論計算から見積った MAEいて表面緩和も比較的容易に行えることから、表の値は非常に小さなものであった。しかし、鉄の図１：白金(001)面系のモデルと磁気異方性エネルギー(MAE)層を白金層でキャップすることで非常に大きな面

図２：白金(664)微斜面上鉄鎖の系における全エネルギ

直磁気異方性を示すという結果が得られた。これは、キャップすることで、フェルミレベル付近にあった鉄の d(xz)および d(yz)軌道が、白金の軌道ーの磁化方向依存性

4まとめ
白金表面上の鉄原子について、磁気異方性エネと混成することにより、フェルミレベル以下に押ルギーの見積もりを行った。白金(111)面上に鉄原し下げられることが原因である。この鉄単層から子を配置した系では、磁化容易軸は面内であった。

なる鉄白金薄膜において垂直磁気異方性を示すと白金(001)面上に鉄原子を積層させた系では、白金いう結果は、今田らによる実験結果[3]ともよく一原子で鉄原子層を覆うことにより大きな垂直磁気致している。

異方性を示すことが明らかとなった。白金微斜面

白金(664)微斜面段差端の鉄鎖の系については、段差端の鉄鎖については、磁化容易軸方向や MAE

磁化容易軸は(111)面上の鉄鎖とは異なり、鎖に垂の値が白金(111)面上の鉄鎖とは全く異なることが直な方向であることがわかった。Repetto らによわかった。このように、表面の原子スケールでのる実験からは、磁化容易軸は、鉄鎖に垂直で、テ構造の違いにより、磁気異方性を変化されることラスに垂直な方向から段差を昇る方向に 80 度傾の可能性が新しく示された。

いた方向であると測定されている[2]。図 2 に全エ

今後、表面上の島状構造などのより複雑な磁性ネルギーの磁化方向依存性の計算結果を示す。こ

表面の計算を現実的な計算時間内で行うために、

こで、φ は yz 平面において z 軸から y 軸方向ハイブリッド並列化等による並列化効率の向上をへ測った角度である。実線は我々の計算結果であ目指すことや、超並列計算機の使用も必要となる。

り、破線と点線は他グループにより全電子法で得られた結果である。磁気異方性定数の値

参考文献

1.19meV/Fe は 、 全 電 子 計 算 に よ る 結 果[1] P. Gambardella et al., Science 300,300 1130 (2003).
[2] D. Repetto et al., Phys. Rev. B 74,054408(2006).
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1.51meV/Fe[7] や 1.27meV/Fe[8] とよく一致し[3] S. Imada, A. Yamasaki, S. Suga, T. Shima, and K.ている。また、磁化容易軸の方向φ = −50°は、

Takanashi, Appl. Phys. Lett. 90,
90 132507 (2007).

全電子計算による結果、φ = −28°[7] と−80°[8][4] M. Tsujikawa, A. Hosokawa, and T. Oda, J. Phys.:の間にある。現在、表面緩和を取り入れた場合のCondens. Matter 19,
19 365208 (2007); 19,19 479002

見積もりを行っている。
白金(111)面上と(664)微斜面上で鉄鎖の磁気異方性が異なっている原因について、局所状態密度やバンド構造から解析を行った結果、白金(664)微斜面段差端の鉄鎖では、段差端に存在する白金と鉄の軌道混成により、磁化容易軸が白金(111)面上とは大きく変化することがわかった。

(2007).
[5] M. Tsujikawa, A. Hosokawa, and T. Oda, Phys. Rev.
B 77,
77 054413 (2008).
[6] T. Oda and A. Hosokawa, Phys. Rev. B 72,
72 224428(2005).
[7] A. B. Shick et al., J. Magn. Magn. Mater. 290-291,
257(2005).
[8] M. Komelj et al., Phys. Rev. B 73,
73 134428 (2006).