神戸大ら、FePd／Gr界面状態を第一原理計算で予測：強くて、しなやかな結合の存在を確認

神戸大学と東北大学の研究グループは、鉄パラジウム（FePd）にグラフェン（Gr）を積層した異種結晶界面（FePd／Gr）の状態を第一原理計算で予測し、その電子と磁気の状態を解析した。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

スピントロニクスデバイスのシミュレーションに応用

　神戸大学大学院工学研究科の植本光治助教や小野倫也教授、大学院生の安達隼人氏らと、東北大学の永沼博准教授らによる研究グループは2022年9月、鉄パラジウム（FePd）にグラフェン（Gr）を積層した異種結晶界面（FePd／Gr）の状態を第一原理計算で予測し、その電子と磁気の状態を解析したと発表した。

　FePdは、L1₀秩序構造をもつ強磁性合金で、高い垂直磁気異方性と低い磁気摩擦定数を有する。このため、不揮発性磁気メモリ（MRAM）の磁気トンネル接合素子（MTJ）として、Grを積層したFePd／Grが注目されている。ただ、シミュレーションモデルの構築に必要なFePd／Gr界面の原子スケール構造が、これまで十分に解明されていなかったという。

　研究グループは今回、FePd（001）面上の炭素原子配置を網羅的に生成し、ひずみの小さいモデルを自動的に探査する方法を構築、電子と磁気の状態を解析することにした。実験結果から、Fe格子とGrがねじれ状態で積層された界面モデルは、−0.19〜−0.22eV/atomという大きな吸着エネルギーを持つことが分かった。

　しかも、ファンデルワールス力による物理吸着と化学吸着の中間的な振る舞いが現れた。これにより、「異なる結晶界面において、強くてしなやかな結合」の存在を理論的に証明した。

FePd／Grのツイスト界面モデルの例 出所：神戸大学、東北大学

　さらに、吸着されたGrにナノスケールのバックリングが現れることも確認した。この現象はこれまで知られていなかったという。また、計算された層間距離や表面付近の磁気的性質なども、実験結果とよく整合する振る舞いが観測された。ちなみに、FePd／Gr吸着距離は実験値が約2Åで、予測した理論値は実験値をよく再現しているという。

ツイスト界面におけるグラフェン層の高さ分布 出所：神戸大学、東北大学

　今回の研究により、FePd／Gr界面についてさまざまなタイプの構造モデルを提案した。原子数が少ない計算モデルを活用すれば、スピントロニクスデバイスに重要な特性のシミュレーションを効率的に行えるという。