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

• 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
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-16J07422/
• 关键词: 第一原理計算; 強相関効果; +U法; 有機金属分子; 遷移金属フタロシアニン; 結晶磁気異方性; 拘束密度汎関数法; 有機金属錯体分子

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。

Magnetic recording technology has improved density and miniaturization, and has strong vertical magnetic differences. The exploration of new materials and the utilization of new materials are the pursuit of material design. Organic metal complex molecular materials, single molecules, extremely small magnetic elements, are expected to be used, and have attracted attention in recent years. Planar structure of the Migration Metal Materials (TMPc) molecule and center of the molecule The るTM atom is coordinated and the そのphysical property is the により顕与に変化する.そこでThis studyでは, 3d, 4d, The 5d-based TMPc was used to investigate the structure and structure of the special vertical magnetic anisotropy based on the theory of electronic structure and magnetism in the electronic structure of the 5d system.ここでは, TM atoms のd orbital strong correlation effect を quantitative に扱うために+U method を adopted し, Heisei In the 28th year, the theoretical calculation of the linear response was calculated and the effective オンサイトクーロン interaction was derived.また、Complete calculation of はフルポテンシャルLinearized reinforced plane wave method にBased on the first principle calculation of により実 Shiした. Each magnetic crystal magnetic anisotropy and force theory of MAE and 3d-Mn The homologous element である4d-Tcや5d-Re is a TMPc において, and the easy axis of magnetization is the molecule plane and the vertical direction is shown.また, 3d から4d, 5d とスピン Orbital Interaction (SOC) force が大きくなるにつれてMAEも Increase large する tendencies が got られた.バンドCalculation and analysis of electronic structure and analysis of TM atoms and dxz(yz) orbital interactions between moleculesいにOrbital mixingすることにより4Egのdelectronic configurationがbase stateとしてStabilizationすることをconfirmationした.さらに、「kinetic theoryにbaseづくanalyticから、これらの orbitがフェルミquasi-position closeでSOCをThe magnetization in the vertical direction is stable and strong, and the magnetization is stable and strong. The above is the result of the electronic structure and magnetic properties of the metal fluoride molecule, the origin of the strong orbital mixing between the molecules, and the appearance of the perpendicular magnetic anisotropy.

项目成果

Electronic structures and magnetism in 5d transition-metal phthalocyanines

5d 过渡金属酞菁的电子结构和磁性

• 发表时间: 2016
• 作者: Kenji Nawa;Toru Akiyama;Tomonori Ito;Kohji Nakamura
• 通讯作者: Kohji Nakamura

On-site Coulomb interaction of transition-metal monoxide thin films from linear response theory

从线性响应理论研究过渡金属一氧化物薄膜的现场库仑相互作用

• 发表时间: 2017
• 作者: Keisuke Mobayashi;Kenji Nawa;Abdul Muizz-Tri Pradipto;Toru Akiyama;Tomonori Ito;Tamio Oguchi;Kohji Nakamura
• 通讯作者: Kohji Nakamura

Electronic structures and magnetism in organometallic molecules of 3d, 4d, and 5d transition-metal phthalocyanines

3d、4d 和 5d 过渡金属酞菁有机金属分子的电子结构和磁性

• 发表时间: 2017
• 作者: Kenji Nawa;Toru Akiyama;Tomonori Ito;Tamio Oguchi;Michael Weinert;Kohji Nakamura
• 通讯作者: Kohji Nakamura

希土類金属における有効オンサイトクーロン相互作用の第一原理計算

稀土金属有效现场库仑相互作用的第一性原理计算

• 发表时间: 2016
• 作者: Arsham Ghasemi;Demie Kepaptsoglou;Kenji Nawa;Susannah Speller;Pedro Galindo;Quentin Ramasse;Kohji Nakamura;Thorsten Hesjedal;Vlado Lazarov;名和憲嗣，秋山亨，伊藤智徳，中村浩次;名和憲嗣，秋山亨，伊藤智徳，中村浩次
• 通讯作者: 名和憲嗣，秋山亨，伊藤智徳，中村浩次

希土類金属における有効オンサイトクーロン相互作用の第一原理的導出と電子構造

稀土金属有效现场库仑相互作用和电子结构的第一性原理推导

• 发表时间: 2017
• 作者: Arsham Ghasemi;Demie Kepaptsoglou;Kenji Nawa;Susannah Speller;Pedro Galindo;Quentin Ramasse;Kohji Nakamura;Thorsten Hesjedal;Vlado Lazarov;名和憲嗣，秋山亨，伊藤智徳，中村浩次
• 通讯作者: 名和憲嗣，秋山亨，伊藤智徳，中村浩次