Spin-orbit coupling (SOC) reduces the spatial symmetry of ferromagnetic
solids. That is, the physical properties of ferromagnetic materials are anisotropic,
depending on the magnetization direction. In this thesis, by means of numerical calculations with full-relativistic density functional theory, we studied
two kinds of physical properties: surface magnetic anisotropy energy (MAE)
and anisotropic thermoelectric power due to Lifshitz transitions.
After a short introduction to the full-relativistic density functional theory in Chapter 2, the MAE of ferromagnetic thin films is studied in Chapter 3. For such systems, separation of different contributions, such as bulk
magnetocrystalline anisotropy (MCA) energy, shape anisotropy energy, and
surface/interface anisotropy energy, is crucial to gain better understanding
of experiments. By fitting our calculating results for thick slabs to a phenomenological model, reliable surface MAE could be obtained. Following
this idea, we have studied the MAE of Co slabs with different geometries,
focusing on the effects of orbital polarization correction (OPC). We found
that the surface anisotropy is mainly determined by the geometry. While
OPC gives better results of orbital moments, it overestimates the MAE.
In the second part of Chapter3, the effects of electric fields on the MAE
of L10 ferromagnetic thin films are studied. Using a simple model to simulate the electric field, our calculations are in good agreement with previous
experimental results. We predicted that for CoPt, even larger effects exist.
Moreover, we found that it is the amount of screening charge that determines
the magnetoelectric coupling effects. This gives us some clue about how to
achieve electric field control of magnetization direction.
In Chapter 4, Lifshitz transitions in L10 FePt caused by a canted magnetic field are studied. We found several Lifshitz transitions in ordered FePt
with tiny features in DOS. Using a two-band model, it is demonstrated that
at such transitions, the singular behaviour of kinetic properties is due to the
interband scattering, and the singularity itself is proportional to the derivative of the singular DOS. For FePt, such singularity will be smeared into
anomaly by chemical disorder. Using CPA, we studied the effects of energy
level broadening for the critical bands in FePt. We found that for experimentally available FePt thin films, Lifshitz transitions would induce up to a
3% increase of thermopower as the magnetization is rotated from the easy
axis to the hard axis. / Spin-Bahn-Kopplung reduziert die Symmetrie ferromagnetischer Festkörper.
Das bedeutet, dass die physikalischen Eigenschaften ferromagnetischer Stoffe
anisotrop bezüglich der Magnetisierungsrichtung sind. In dieser Dissertation
werden mittels numerischer voll-relativistischer Dichtefunktional-Rechnungen
zwei Arten physikalischer Eigenschaften untersucht: magnetische Oberflächen-Anisotropieenergie (MAE) und anisotrope Thermokraft durch Lifshitz-Übergänge.
Nach einer kurzen Einführung in die relativistische Dichtefunktional-Theorie
in Kapitel 2 wird in Kapitel 3 die MAE ferromagnetischer dünner Filme
untersucht. In diesen Systemen ist es für ein Verständnis experimenteller
Ergebnisse wichtig, verschiedene Beiträge zu separieren: Volumenanteil der
magnetokristallinen Anisotropie (MCA), Formanistropie und Oberflächen bzw.
Grenzflächenanisotropie. Durch Anpassen berechneter Daten für dicke
Schichten an ein phänomenologisches Modell konnten verlässliche Oberflächen
Anisotropien erhalten werden. In dieser Weise wurde die MAE von Co-
Schichten mit unterschiedlichen Geometrien untersucht, wobei der Einfluss
von Orbitalpolarisations-Korrekturen (OPC) im Vordergrund stand. Es wurde
gefunden, dass die Oberflächenanisotropie hauptsächlich von der Geometrie
bestimmt wird. Während OPC bessere Ergebnisse für die Orbitalmomente
liefert, wird die MAE überschätzt.
Im zweiten Teil von Kapitel 3 wird der Einfluss elektrischer Felder auf die
MAE von dünnen ferromagnetischen Filmen mit L10-Struktur untersucht.
Unter Verwendung eines einfachen Modells zur Simulation des elektrischen
Feldes liefern die Rechnungen gute Übereinstimmung mit vorliegenden experimentellen
Ergebnissen. Es wird vorhergesagt, dass für CoPt ein noch
größerer Effekt existiert. Weiterhin wurde gefunden, dass die magnetoelektrische
Kopplung von der Größe der Abschirmladung bestimmt wird.
Dies ist eine wichtige Einsicht, um die Magnetisierungsrichtung durch ein
elektrisches Feld kontrollieren zu können.
In Kapitel 4 werden Lifshitz-Übergänge untersucht, die ein gekantetes
Magnetfeld hervorruft. Es wurden mehrere Lifshitz-Übergänge in geordnetem
FePt gefunden, welche kleine Anomalien in der Zustandsdichte hervorrufen.
Mit Hilfe eines Zweiband-Modells wird gezeigt, dass an solchen
Übergängen das singuläre Verhalten kinetischer Eigenschaften durch Interband-
Streuung verursacht wird und dass die Singularität proportional zur Ableitung
der singulären Zustandsdichte ist. In FePt wird durch chemische Unordnung
diese Singularität zu einer Anomalie verschmiert. Der Einfluss einer Verbreiterung
der Energieniveaus der kritischen Bänder in FePt wurde mittels CPA
untersucht. Es wurde gefunden, dass in experimentell verfügbaren dünnen FePt-Filmen Lifshitz-Übergänge bis zu 3% Erhöhung der Thermokraft erzeugen,
wenn die Magnetisierung von der leichten in die harte Richtung gedreht
wird.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:25141 |
| Date | 09 October 2009 |
| Creators | Zhang, Hongbin |
| Contributors | Eschrig, Helmut, Blügel, Stefan |
| Publisher | Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | German |
| Type | doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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