Journal of the Korean Magnetics Society (한국자기학회지)

The Korean Magnetics Society (한국자기학회)
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First Principles Calculations on Magnetism of CrPt3(001) Thin Films

CrPt3(001) 박막의 자성: 제일원리계산

  • Jeong, Tae Sung (Department of Physics and EHSRC, University of Ulsan) ;
  • Jekal, Soyoung (Department of Physics and EHSRC, University of Ulsan) ;
  • Rhim, S.H. (Department of Physics and EHSRC, University of Ulsan) ;
  • Hong, S.C. (Department of Physics and EHSRC, University of Ulsan)
  • Received : 2017.02.17
  • Accepted : 2017.04.18
  • Published : 2017.04.30
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Abstract

Recent study shows that ordered alloy of $L1_2$ $XPt_3$ (M = V, Cr, Mn, Co, and Fe) exhibits various magnetic phases such as ferromagnetic-to-antiferromagnetic transition at the $MnPt_3$ surface. Moreover, it has been argued that $CrPt_3$, in particular, possess large magnetocrystalline anisotropy and Kerr rotation with possible violation of Hund's rule. As such, we extend our work to thickness dependence of the magnetic structure of $CrPt_3$ thin film using density functional theory. Magnetic ground state of the bulk $CrPt_3$ turns out to be ferromagnetic (FM), where other magnetic phases such as A-type (A-AF), C-type (C-AF), and G-type antiferromagnetic (G-AF) state have higher total energies than FM by 0.517, 0.591, and 0.183 eV, respectively, and magnetic moments of Cr in bulk are respectively 2.807 (FM), 2.805 (A-AF), 2.794 (C-AF) and $2.869_{{\mu}_B}$ (G-AF). We extend our study to $CrPt_3$(001) thin films with CrPt-and Pt-termination. The thickness and surface-termination dependences of magnetism are investigated for 3-9 monolayers (ML), where different magnetic phases from bulk emerge: C-AF for CrPt-terminated 3 ML and G-AF for Pt-terminated 5 ML have energy difference relative to FM by 8 and 54 meV, respectively. Furthermore, thickness- and surface-termination-dependent magnetocrystalline anisotropies of the $CrPt_3$(001) films are discussed.

$CrPt_3$ 합금은 큰 Kerr 효과를 보여 주는 강한 자기결정 이방성을 가지고 있고 흥미롭게도 훈트 제3법칙을 따르지 않는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 $CrPt_3$ 합금 박막의 두께의 따른 자성과 자기결정 이방성의 변화를 제일원리계산 방법을 이용하여 연구하였다. 기준 자료로 활용하기 위해 덩치 $CrPt_3$의 다양한 자성 상태, 즉 강자성(FM), A-, C-, G-type 반강자성(A-, C-, G-AF)에 대한 계산을 우선 수행하였는데 덩치 $CrPt_3$은 FM 상태가 안정하였고 이는 실험과 일치하였다. A-, C-, G-AF 상태가 FM 상태일 때 보다 총에너지가 각각 0.517, 0.591, 0.183 eV 만큼 높았고 Cr의 자기모멘트는 FM, A-, C-, G-AF 일 때 각각 2.782, 2.805, 2.794, $2.869_{{\mu}_B}$으로 확인되었다. $CrPt_3$(001) 박막의 표면은 CrPt 표면과 Pt 표면으로 두 종류의 원소 구성을 가질 수 있다. 각각의 표면에 대해 3층에서 9층까지 두께를 변화시켜 가면서 계산을 수행하였다. CrPt 표면의 3층 박막은 덩치와는 다르게 C-AF 상태가 FM 상태에 비해 8 meV 안정하였고 그 보다 두꺼운 5층, 7층, 9층 박막은 덩치처럼 FM 상태가 안정하였다. Pt 표면의 3층 박막은 C-AF 상태가 FM 상태에 비해 37 meV, 5층 박막은 G-AF이 FM 상태에 비해 54 meV 만큼 안정하였고 그 보다 두꺼운 7, 9층 박막은 덩치와 같이 FM 상태가 더 안정하였다.

Keywords

References

  1. T. L. Makarova, B. Sundqvist, R. Hohne, P. Esquinazi, Y. Kopelevich, P. Scharff, V. A. Davydov, L. S. Kash-evarova, and A. V. Rakhmanina, Nature (London) 413, 716 (2001). https://doi.org/10.1038/35099527
  2. W. S. Yun and S. C. Hong, J. Korean Phys. Soc. 53, 384 (2008). https://doi.org/10.3938/jkps.53.384
  3. M.-J. Woo and S. C. Hong, J. Korean Phys. Soc. 48, 1405 (2006).
  4. J. J. Palacios and J. Fernandex-Rossier, Phys. Rev. B 77, 195428 (2008). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.77.195428
  5. S. C. Hong, J. I. Lee, and R. Wu, Phys. Rev. B 75, 172402 (2007). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.75.172402
  6. W. Kim, S. C. Hong, J. Seo, S.-J. Oh, H. G. Min, and J.-S. Kim, Phys. Rev. B 70, 174453 (2004). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.70.174453
  7. W. Kim, S.-J. Oh, J. Seo, H. G. Min, S. C. Hong, and J.-S. Kim, Phys. Rev. B 65, 205407 (2002). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.65.205407
  8. T. D. Leonhardt, Y. Chen, M. Rao, D. E. Laughlin, D. N. Lambeth, and M. H. Kryder, J. Appl. Phys. 85, 4307 (1999). https://doi.org/10.1063/1.370351
  9. M. Maret, M. Albrecht, J. Kohler, R. Poinsot, C. Ulhaq-Bouillet, J. M. Tonnerre, J. F. Berar, and E. Bucher, J. Magn. Magn. Mater. 218, 151 (2000). https://doi.org/10.1016/S0304-8853(00)00367-X
  10. M. Vergohl and J. Schoenes, J. Magn. Soc. Japan 20, S1, 141 (1996). https://doi.org/10.3379/jmsjmag.20.141
  11. J. Cho, M. Park, H.-S. Kim, T. Kato, S. Iwata, and S. Tsunashima, J. Appl. Phys. 86, 3149 (1999). https://doi.org/10.1063/1.371181
  12. I. Galanakis, P. M. Oppeneer, P. Ravindran, L. Nord-strom, P. James, M. Alouani, Dreysse, and O. Eriksson, Phys. Rev. B 63, 172405 (2001). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.63.172405
  13. G. Kresse and J. Furthmüller, Phys. Rev. B 54, 11169 (1996). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.54.11169
  14. G. Kresse and J. Furthmüller, Comput. Mater. Sci. 5, 15 (1996).
  15. G. Kresse and D. Joubert, Phys. Rev. B 59, 1758 (1999).
  16. P. E. Blochl, Phys. Rev. B 50, 17953 (1994). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.50.17953
  17. J. P. Perdew, K. Burke, and M. Ernzerhof, Phys. Rev. Lett. 77, 3865 (1996). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.77.3865