Ab initio investigations of spin-orbit functionalized graphene

Mazhjoo, Donya; Honerkamp, Carsten; Blügel, Stefan

doi:10.18154/RWTH-2025-08524

Ab initio investigations of spin-orbit functionalized graphene

Mazhjoo, Donya^RWTH*

2025

VerantwortlichkeitsangabeDonya Mazhjoo

ImpressumJülich : Forschungszentrum Jülich GmbH, Zentralbibliothek, Verlag 2025

Umfang1 Online-Ressource (163 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-95806-847-6

ReiheSchriften des Forschungszentrums Jülich. Reihe Schlüsseltechnologien ; 299

Dissertation, RWTH Aachen University, 2025

Druckausgabe: 2025. - Onlineausgabe: 2025. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Blügel, Stefan (Thesis advisor)^RWTH* ; Honerkamp, Carsten (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-06-16

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-08524
URN: urn:nbn:de:0001-2511111119126.932721774150
URN: urn:nbn:de:hbz:5:2-1524343
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1019767/files/1019767.pdf

Einrichtungen

Projekte

DFG project G:(GEPRIS)436553941 - Spin-Wechselwirkung funktionalisiertes Graphen für resistiv-magnetische Speicher (436553941) (436553941)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI) (frei) ; FLAPW method (frei) ; ab initio calculations (frei) ; density functional theory (DFT) (frei) ; graphene-based heterostructures (frei) ; magnetic anisotropy (MAE / MCA) (frei) ; magnetism in two-dimensional materials spin-orbit-driven interactions (frei) ; perpendicular magnetic anisotropy (PMA) (frei) ; spin textures (frei) ; spin-orbit coupling (SOC) (frei) ; spintronics (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Graphen (Gr) hat aufgrund seiner bemerkenswerten elektronischen Eigenschaften wie der hohen Ladungsträgerbeweglichkeit, dem ungewöhnlichen Quanten-Hall-Effekt und der langen Spin-Lebensdauer bei Raumtemperatur große Aufmerksamkeit im Bereich der fortgeschrittenen Informationstechnologien erhalten. Diese Eigenschaften machen Gr zu einem vielversprechenden Kandidaten für verschiedene Anwendungen, insbesondere in der Spintronik. Dort konzentriert sich die Forschung auf ultradünnen Co/Pt(111)-Filmen, die in der magnetischen Senkrechtaufzeichnung weit verbreitet sind, auf die Verbesserung der Materialeigenschaften durch das Hinzufügen von Pufferschichten und die Legierung mit anderen Elementen. In dieser Arbeit werden die elektronischen und magnetischen Eigenschaften von Gr untersucht, wenn es auf Co/Schwermetall (HM)-Substraten deponiert wird, wobei der Schwerpunkt auf Pt und Ir als HMs liegt. Unsere Untersuchung zielt darauf ab, die Auswirkungen von Gr auf Co/HM auf magnetische Austauschwechselwirkungen zu klären, mit einem besonderen Fokus auf das Verständnis der Spin-Bahn-Kopplungseffekte (SOC) wie magnetokristalline Anisotropie (MCA) und die Grenz-flächen-Dzyaloshinskii-Moriya-Wechselwirkung (DMI) sowohl an Gr/Co- als auch an Co/HM-Grenzflächen. Diese Wechselwirkungen spielen eine zentrale Rolle bei der Beeinflussung verschiedener magnetischer Dynamiken, einschließlich ferromagnetischer Resonanz, Spinwellen und dem Verhalten chiraler Domänenwände und Skyrmionen. Moderne elektronische Systeme streben einen hohe Geschwindigkeiten und einen niedrigen Energieverbrauch an, was die Entwicklung von durch elektrische Felder gesteuerten spintronischen Bauelementen vorantreibt. Die experimentellen Arbeiten zeigen Hinweise auf Grenzflächen-DMI an der Gr/Co-Grenzfläche, die im Gegensatz zu der SOC-induzierten DMI an der Co/HM-Grenzfläche stehen. Darüber hinaus stellen wir fest, dass die Deposition von Gr zu einer Verringerung der DMI führt, was möglicherweise die Empfindlichkeit dieser Strukturen gegenüber elektrischen Feldern erhöht. Unsere Bemühungen zur Beeinflussung von DMI und MCA umfassen die Anwendung elektrischer Felder und die Einführung verschiedener Deckschichten, einschließlich Oxid-Deckschichten und einer HM-Überschicht, um die elektronischen und magnetischen Eigenschaften zu verbessern. Unsere Untersuchungen erstrecken sich auch auf Gr-bedeckte Co/Pt-Multischichten, die für ihre senkrechte magnetische Aniso-tropie bekannt sind, und tragen weiter zu unserem Verständnis des komplizierten Zusammenspiels zwischen Materialzusammensetzung und magnetischen Eigenschaften bei. Diese Erkenntnisse haben potenzielle Auswirkungen auf den Einsatz von DMI und MCA in zukünftigen spintronischen Bauelementen. Theoretische Fortschritte, insbesondere in der Dichtefunktionaltheorie (DFT), spielen eine entscheidende Rolle bei der Entschlüsselung von Materialeigenschaften. Die FLAPW-Methode (Full-potential Linearized Augmented Planewave) ist bekannt für ihre Vielseitigkeit und Genauigkeit, was sie zu einem weithin akzeptierten Berechnungsansatz in der Materialwissenschaft macht. Die Verwendung der FLAPW-Methode ermöglicht es uns, komplexe Systeme mit schweren Atomen und ausgeprägten SOC-Effekten zu behandeln. In dieser Arbeit verwenden wir den FLEUR-Code, der die Film-FLAPW-Methode zur Berechnung des DMI im elektrischen Feld einsetzt, einem wesentlichen Parameter in der Spintronikforschung. Unsere Berechnungen berücksichtigen SOC-Effekte sowohl in einer Störungstheorie erster Ordnung für die DMI als auch selbstkonsistent für die MCA, mit dem Ziel, SOC-induzierte Effekte zu stimulieren und unser Verständnis dieser Phänomene zu vertiefen.

Graphene (Gr) has obtained significant attention in the realm of advanced information technologies due to its remarkable electronic properties, such as high carrier mobility, an unusual quantum Hall effect, and long spin lifetimes at room temperature. These attributes make Gr a promising candidate for various applications, particularly in spintronics. There, research on Co/Pt(111) ultra-thin films, widely utilized in perpendicular magnetic recording, focuses on enhancing material properties by adding buffer layers and alloying with other elements. This thesis explores the electronic and magnetic properties of Gr when deposited on Co/heavy metal (HM) substrates, particularly focusing on Pt and Ir as HMs. Our investigation aims to elucidate the impact of Gr on Co/HM on magnetic exchange interactions, with a particular focus on understanding the spin-orbit coupling (SOC) effects like magnetocrystalline anisotropy (MCA) and the interfacial Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI) at both Gr/Co and Co/HM interfaces. These interactions are pivotal in influencing various magnetic dynamics, including ferromagnetic resonance, spin waves, and the behavior of chiral domain walls and skyrmions. Modern electronic systems aspire to achieve high-speed operation and low energy consumption, driving the development of electric-field-controlled spintronic devices. The experimental reports reveal evidence of interfacial DMI at the Gr/Co interface, contrasting with the SOC-induced DMI observed at the Co/HM interface. Additionally, we find that depositing Gr leads to a reduction in DMI, potentially enhancing the susceptibility of these structures to electric fields. Efforts to manipulate DMI and MCA involve the application of electric fields and the introduction of various capping layers, including oxide capping layers and an HM overlayer, to engineer electronic and magnetic properties. Our exploration also extends to Gr-covered Co/Pt multilayers, known for their perpendicular magnetic anisotropy, contributing further to our understanding of the intricate interplay between material compositions and magnetic properties. These insights hold potential implications for engineering DMI and MCA in future spintronic devices. Theoretical advancements, particularly in density functional theory (DFT), play a crucial role in unraveling material properties. The Full-potential Linearized Augmented Planewave (FLAPW) method is renowned for its versatility and accuracy, making it a widely accepted computational approach in materials science. Utilizing the FLAPW method enables us to handle complex systems, encompassing those with heavy atoms and pronounced SOC effects. In this thesis, we utilize the FLEUR code, which employs the film FLAPW method to compute the DMI in the electric field, an essential parameter in spintronics research. Our calculations consider SOC effects both in a first-order perturbation theory for the DMI and self-consistently for the MCA, aiming to stimulate SOC-induced effects and deepen our understanding of these phenomena.

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