[논문]CrPt3(001) 박막의 자성: 제일원리계산

정태성; 제갈소영; 임성현; 홍순철

doi:10.4283/jkms.2017.27.2.041

[국내논문] CrPt3(001) 박막의 자성: 제일원리계산
First Principles Calculations on Magnetism of CrPt3(001) Thin Films 원문보기

韓國磁氣學會誌 = Journal of the Korean Magnetics Society, v.27 no.2, 2017년, pp.41 - 48

정태성 (울산대학교 물리학과) , 제갈소영 (울산대학교 물리학과) , 임성현 (울산대학교 물리학과) , 홍순철 (울산대학교 물리학과)

초록
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$CrPt_3$ 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.

Abstract ▼ AI-Helper

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, p...

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제안 방법

박막 계산에서는 표면 간의 상호작용을 무시하기 위해 표면과 표면사이에 약 15 Å의 진공 영역을 설정하였다.
XPt₃ 결정구조는 L1₂, 혹은 층 쌓기가 L1₂와 약간 상이한D0₂₂ 인데, CrPt₃는 L1₂ 구조가 안정하다고 알려져 있어 본연구에서는 L1₂ 구조 CrPt₃(001) 박막의 자성을 중심으로 제일원리계산을 수행하였다. 박막의 표면 조성과 박막의 두께에 따른 자성의 변화를 살펴 보았고 박막에서의 MCA 에너지도 계산하였다.
(001) 박막의 자성을 중심으로 제일원리계산을 수행하였다. 박막의 표면 조성과 박막의 두께에 따른 자성의 변화를 살펴 보았고 박막에서의 MCA 에너지도 계산하였다. 기준 자료를 확보하기 위해 덩치 CrPt₃ 자성을 계산하였고 다른 계산 결과와 비교하여 본 연구의 계산의 엄밀성도 동시에 점검하였다.
CrPt₃의 격자상수를 결정하기 위해서 격자상수의 함수로FM, A-AF, C-AF, G-AF 상태의 총에너지 계산을 수행하였다. 계산결과에 의하면 CrPt₃는 FM 상태가 가장 안정하였으며 격자상수는 3.
5에 나타내었다. 먼저 총 전자 상태 밀도는 검은 실선으로 나타내었고, 고동 실선, 초록 점선은 각각의 Cr, Pt 원자에 투영된 전자 상태밀도를 의미한다. 다음으로는 Cr, Pt 원자의 d 오비탈 별로 투영된 전자 상태밀도를 나타내었다.
CrPt 표면으로 끝나는 CrPt₃(001) 박막의 두께에 따른 자성변화를 계산하기 위해 본 연구에서는 3, 5, 7, 9층 두께의 박막을 설정하였다. 2차원 격자상수는 덩치 CrPt₃에서 얻어진 격자 상수를 그대로 사용하였다.
7은 CrPt 표면으로 끝나는 C-AF 상태일 때 CrPt₃(001)박막 3층에서의 전자 상태밀도를 나타낸 것이다. 먼저 총 전자 상태 밀도는 검은 실선으로 나타낸 것이고 파란색 실선은C-AF 상태에서의 Cr 원자에 투영된 전자 상태밀도를 나타낸 것이고 빨간색, 올리브색 점선은 각각 표면 Pt 원자, 중앙 Pt원자에 투영된 전자 상태밀도를 나타낸 것이다. 다음으로는 표면의 Cr 원자의 d 오비탈에 따른 전자상태를 확인하였고, 표면과 중앙의 Pt 원자의 d 오비탈에 따른 전자 상태 밀도를 확인할 수 있었다.
먼저 총 전자 상태 밀도는 검은 실선으로 나타낸 것이고 파란색 실선은C-AF 상태에서의 Cr 원자에 투영된 전자 상태밀도를 나타낸 것이고 빨간색, 올리브색 점선은 각각 표면 Pt 원자, 중앙 Pt원자에 투영된 전자 상태밀도를 나타낸 것이다. 다음으로는 표면의 Cr 원자의 d 오비탈에 따른 전자상태를 확인하였고, 표면과 중앙의 Pt 원자의 d 오비탈에 따른 전자 상태 밀도를 확인할 수 있었다.
9은 Pt 표면으로 끝나는 C-AF 상태일 때 CrPt₃(001)박막 3층에서의 전자 상태밀도를 나타낸 것이다. 먼저 총 전자 상태 밀도는 검은 실선으로 나타낸 것이고 파란색 실선은C-AF 상태에서의 Cr 원자에 투영된 전자 상태밀도를 나타낸 것이고 올리브색, 빨간색 점선은 각각 표면 Pt 원자, 중앙 Pt원자에 투영된 전자상태밀도를 나타낸 것이다. 다음으로는 표면과 중앙의 Pt 원자의 d 오비탈에 따른 전자상태를 확인하였고, 중앙의 Cr 원자의 d 오비탈에 따른 전자 상태 밀도를 확인할 수 있었다.
먼저 총 전자 상태 밀도는 검은 실선으로 나타낸 것이고 파란색 실선은C-AF 상태에서의 Cr 원자에 투영된 전자 상태밀도를 나타낸 것이고 올리브색, 빨간색 점선은 각각 표면 Pt 원자, 중앙 Pt원자에 투영된 전자상태밀도를 나타낸 것이다. 다음으로는 표면과 중앙의 Pt 원자의 d 오비탈에 따른 전자상태를 확인하였고, 중앙의 Cr 원자의 d 오비탈에 따른 전자 상태 밀도를 확인할 수 있었다.
AF 상태가 안정한 3층 표면 박막의 자기결정이방성 에너지 계산을 수행하였다. k-점에 대한 자기이방성 에너지의 수렴성을 확인하기 위해 Monkhorst-Pack k-점 그물을 12 ×12 × 1부터 20 × 20 × 1 k-점까지 k-점 수를 늘려가며 계산을 수행하였고 그 결과 18 × 18 × 1 Monkhorst-Pack k-점 그물이면 수렴된 자기이방성 에너지를 얻을 수 있음을 알았다.

대상 데이터

역격자 영역의 적분을 수행하기 위해 덩치에서는 8 × 8 × 8, 박막에서는 8×8×1의 Monkhorst-Pack k-점 그물을 사용하였다.
역격자 영역의 적분을 수행하기 위해 덩치에서는 8 × 8 × 8, 박막에서는 8×8×1의 Monkhorst-Pack k-점 그물을 사용하였다. 절단 에너지(cutoff energy) 450 eV까지의 평면파를 기저함수로 사용하였다. Fig.
(001) 박막의 두께에 따른 자성변화를 계산하기 위해 본 연구에서는 3, 5, 7, 9층 두께의 박막을 설정하였다. 2차원 격자상수는 덩치 CrPt₃에서 얻어진 격자 상수를 그대로 사용하였다. Fig.

이론/모형

박막의 MCA 에너지를 계산하기 위한 2차원 역격자 영역의 적분을 수행하기 위하여 18 × 18 × 1 Monkhorst-Pack k-점 그물을 사용하였다.
CrPt₃ 박막의 표면 조성과 두께의 따른 자기모멘트와 자성을 확인하기 위하여 Vienna ab-initio simulation package(VASP)[13-15]을 이용하여 계산을 수행하였다. 계산에서 사용된 슈도포텐셜은 projected augmented wave(PAW)[16]로 생성하였다.
계산에서 사용된 슈도포텐셜은 projected augmented wave(PAW)[16]로 생성하였다. 전자들 사이의 교환상관 작용을 고려하기 위해 Perdew-Burke-Ernzerhof에 의해 정립된 gerneralized gradientapproximation(GGA)[17] 방법을 사용하였다. Fig.

성능/효과

CrPt₃(001) 박막의 표면은 CrPt 표면과 Pt 표면으로 계산을 진행 하였고, CrPt 표면의 3층 박막은 덩치와는 다르게 CAF상태가 FM 상태에 비해 8 meV 안정하였고 그 보다 두꺼운 5층, 7층, 9층 박막은 덩치처럼 FM 상태가 안정하였다.3층 박막의 Cr의 자기모멘트는 FM 상태일 때 3.
계산결과에 의하면 CrPt3는 FM 상태가 가장 안정하였으며 격자상수는 3.925 Å이었다.
박막의 표면 조성과 박막의 두께에 따른 자성의 변화를 살펴 보았고 박막에서의 MCA 에너지도 계산하였다. 기준 자료를 확보하기 위해 덩치 CrPt₃ 자성을 계산하였고 다른 계산 결과와 비교하여 본 연구의 계산의 엄밀성도 동시에 점검하였다.
3은 덩치 CrPt₃의 각 AF상태의 총에너지를 FM 상태의 총에너지를 기준으로 표시한 것이다. A-AF, C-AF, G-AF의 에너지는 FM 상태에 비해0.128 eV, 0.147 eV, 0.045 eV 만큼 높게 계산되어 AF 상태 중에서는 G-AF 상태가 가장 총에너지가 낮음을 알 수 있었다.
C-AF 상태일 때 가장 안정하였고 A-AF, C-AF, G-AF의 총에너지는 FM 상태를 기준으로 0.085 eV, −0.008 eV, −0.006 eV이었다.
마지막으로 3층 박막의 Cr(S)의 자기모멘트는 3.383 µB으로 모두 FM상태에 비해서 자기모멘트가 증가했음을 알 수 있었다.
6는 각 박막에서의 총에너지를 FM 상태를 기준으로 나타내고 있다. 5, 7, 9층 박막은 FM 상태일 때 가장 안정하였으나 3층에서는 C-AF 상태가 가장 안정하였다.
9층 박막의 총에너지가 낮은 순이 FM, G-AF, A-AF, CAF로덩치와 같은 순이었고 각각의 AF 상태의 총에너지는FM 상태에 비해 0.021 eV, 0.092 eV, 0.155 eV 만큼 높았다.7층 박막 경우에는 FM 상태가 가장 안정인 것은 같으나 총에너지가 낮은 순서가 FM, G-AF, C-AF, A-AF으로 A-AF과 C-AF 상태의 순서가 바뀌는 것으로 계산되었다.
155 eV 만큼 높았다.7층 박막 경우에는 FM 상태가 가장 안정인 것은 같으나 총에너지가 낮은 순서가 FM, G-AF, C-AF, A-AF으로 A-AF과 C-AF 상태의 순서가 바뀌는 것으로 계산되었다. FM 상태에 비해 각각의 AF 상태의 총에너지는 0.
k-점에 대한 자기이방성 에너지의 수렴성을 확인하기 위해 Monkhorst-Pack k-점 그물을 12 ×12 × 1부터 20 × 20 × 1 k-점까지 k-점 수를 늘려가며 계산을 수행하였고 그 결과 18 × 18 × 1 Monkhorst-Pack k-점 그물이면 수렴된 자기이방성 에너지를 얻을 수 있음을 알았다.
CrPt 표면으로 끝나는 3층 CrPt3(001) 박막은 C-AF 상태의 자기결정이방성 에너지는 +6.34 meV/(unit cell)로 수직 자기이방성을 갖는 데에 비해 Pt 표면으로 끝나는 3층 CrPt3(001)박막은 C-AF 상태의 자기결정이방성 에너지는 −5.46 meV/(unit cell)로 수평 자기이방성을 가짐을 확인하였다.
614 eV 만큼 높았는데 A-AF 상태의 총에너지가 크게 감소한 것은 주목할 만하다. 7층 박막은 각 AF 상태 사이의 총에너지는 무시할 수 있을 정도로 작은 것이 특징인데 가장 안정한 FM에비해 A-AF, C-AF, G-AF의 총에너지는 각각 0.196 eV,0.187 eV, 0.186 eV 만큼 높았다. 5층 박막도 7층 박막처럼 각AF 상태 사이의 총에너지는 무시할 수 있을 정도로 작은데 각 AF 상태가 FM 상태보다도 안정한 것이 특징이다.
3층 박막의 Cr의 자기모멘트는 FM 상태일 때 3.291 µB 확인하였고, C-AF 상태일 때는 3.383 µB으로 확인하였다.
AF 상태가 안정한 3층 표면 박막의 자기결정이방성 에너지 계산을 수행하였다. CrPt 표면으로 끝나는 3층 CrPt₃(001)박막은 C-AF 상태의 자기결정이방성 에너지는 수직 자기이방성을 갖고 Pt 표면으로 끝나는 3층 CrPt₃(001) 박막은 CAF상태의 자기결정이방성 에너지는 수평 자기이방성을 가짐을 확인하였다.
CrPt₃ 합금은 덩치구조일 때 FM 상태가 안정하였고 A-, C-, G-AF 상태가 FM 상태일 때 보다 총에너지가 각각0.517, 0.591, 0.183 eV 만큼 높았다. Cr의 자기모멘트는 FM, A-, C-, G-AF 일 때 각각 2.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	$CrPt_3$ 합금의 특성은?	$CrPt_3$ 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.
	자성의 특성은?	자성은 주변 환경에 매우 민감한 물리 현상이어서 원자 수준까지 감지할 수 있는 최신 실험 기술의 발달로 이전에는 규명할 수 없었던 자성을 연구할 수가 있게 되었다[1]. 자성은 표면 등 차원이 감소하면 덩치와는 다른 자성을 보이기도하고[2, 3], 자성이 없던 물질도 빈 격자 공간에서 자성을 보여 주는 등[4], 덩치에서는 자성이 없던 물질도 특별한 환경에서는 자성이 보이기도 한다[1, 5]. MnPt3(001) 표면 자성에
	이전에는 규명할 수 없었던 자성에는 무엇이 있는가?	자성은 주변 환경에 매우 민감한 물리 현상이어서 원자 수준까지 감지할 수 있는 최신 실험 기술의 발달로 이전에는 규명할 수 없었던 자성을 연구할 수가 있게 되었다[1]. 자성은 표면 등 차원이 감소하면 덩치와는 다른 자성을 보이기도하고[2, 3], 자성이 없던 물질도 빈 격자 공간에서 자성을 보여 주는 등[4], 덩치에서는 자성이 없던 물질도 특별한 환경에서는 자성이 보이기도 한다[1, 5]. MnPt3(001) 표면 자성에

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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