Giant and strain-tunable interfacial magnetic anisotropy in MgO-based magnetic heterostructures with heavy atoms insertion

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作者
Yue Hu,Shiming Yan,Deyou Jin,Wen Qiao,Ruixiang Bai,Tiejun Zhou
出处
期刊:Physica Scripta [IOP Publishing]
卷期号:98 (1): 015022-015022
标识
DOI:10.1088/1402-4896/acaa75
摘要

Abstract MgO-based magnetic heterostructures with interfacial magnetic anisotropy has attracted increasing attention due to its application in building high-density magnetic random access memories. A large and tunable interfacial magnetic anisotropy constant ( Ki ) is required for high thermal stability and flexible data writability. In this study, the Ki of Fe/MgO, Fe/Pt/MgO, and Fe/Ir/MgO heterostructures with strains from −4.5% to 4.5% were calculated by ab initio electronic structure calculations. It has been found that the Fe/Pt/MgO and Fe/Ir/MgO where the Pt and Ir monolayers are inserted in the interface possess Ki of 2.415 mJ m −2 and −4.468 mJ m −2 , which are much larger by several times than that (0.840 mJ m −2 ) of the Fe/MgO. In particular, the out-of-plane Ki from the interfacial Pt atoms in Fe/Pt/MgO is as high as 5.978 mJ m −2 . The magnetic anisotropy of these structures can be significantly manipulated by strain. Combining second-order perturbation theory, the origin of these behaviors has been analyzed by layer-resolved, orbital-resolved, and k -resolved Ki . The spin-flip terms of d z 2/ d yz orbitals in the interfacial layer are mainly responsible for the out-of-plane Ki and its variation with strain. This work provides a useful guide for the design of high and tunable magnetic anisotropy in the MgO-based magnetic heterostructures.

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