Magnetism and Magnetocrystalline Anisotropy of CoFe Thin Films: A First-principles Study

We investigate magnetism and magnetocrystalline anisotropy of CoFe thin films, using VASP code in GGA. In this study Co-terminated and Fe-terminated 5-layer CoFe thin films are employed. The Co-terminated CoFe thin film shows two total energy minima at 2-dimensional lattice constants of $2.45{\AA}$ and $2.76{\AA}$. The film of $2.45{\AA}$ has fcc-like structure and the film of $2.76{\AA}$ has bcc-like structure similarly to a bulk CoFe alloy. And the fcc-like film is more stable by the energy difference of about 160 meV compared to the bcc-like film. The Fe-terminated CoFe film shows very complicated behaviour of total energy which is suspected to be closely related to its complex magnetic structure. The Co-terminated CoFe film of $2.76{\AA}$ shows perpendicular magnetocrystalline anisotropy (MCA), while the film of 2.45 does parallel MCA. The Fe-terminated CoFe film also exhibits similar MCA behaviour.

CoFe 박막의 자성과 자기결정이방성에 대한 제일원리계산

본 연구에서는 제일원리계산방법을 이용하여 스핀전달토크(Spin-Transfer Torque: STT) MRAM을 구현하는 데 적합한 물질로 알려진 CoFe 합금 박막의 자성과 자기결정이방성에 대해 계산하였다. CsCl 구조의 CoFe 합금 박막의 자기결정이방성을 계산하기 위해 교환-상관 퍼텐셜은 일반화 물매근사(general gradient approximation: GGA)를 사용하였으며 k-점은 $12{\times}12{\times}1$, 절단 에너지는 400 eV을 사용하였다. CoFe 합금 박막의 층수는 5층으로 하였고 박막 표면이 Co 원자인 경우와 Fe 원자인 경우에 $2.2{\AA}$에서 $3.2{\AA}$까지 범위에서 2차원 격자상수에 따른 박막의 총에너지를 계산하였다. 총에너지 계산 결과에 따르면 Co 표면의 CoFe 5층 박막의 총에너지는 $2.45{\AA}$와 $2.76{\AA}$의 두 2차원 격자상수에서 극소치를 가지는데 fcc 형 결정구조를 가지는 $2.45{\AA}$의 2차원 격자상수 박막이 bcc 형 결정구조를 가지는 $2.76{\AA}$ 2차원 격자상수 박막보다 약 160 meV 차이로 더 안정함을 알 수 있었다. 반면 Fe 표면의 CoFe 5층 박막은 상당히 복잡한 총에너지 계산 결과를 보여 주는데 이는 Fe 표면의 CoFe 5층 박막은 복잡한 자성 구조를 가지기 때문일 것으로 판단된다. $2.45{\AA}$의 Co 표면의 CoFe 5층 박막은 표면에 평행한 자기결정이방성을 가지는 반면, $2.76{\AA}$일 때는 표면에 수직한 자기결정이방성을 가지는 것으로 계산되었다.