Abstract
摘要： 本文是以VASP(Vienna Ab-initio Simulation Package)軟體計算磁性薄膜的能帶結構，電荷分佈，磁化強度的大小與方向與系統的能量，進而研究實驗上觀察到的SRT(Spin Reorientation Transition)現象。VASP是目前最先進的第一原理計算軟體之一，它是基於密度泛函理論以及後續發展的許多技巧，將多體量子問題轉化為求解一組自恰的單電子方程式的軟體。對於許多材料的物理特性，VASP能提供快速且準確的解答。本文研究的薄膜包括Fe，Co以及Ni的單原子層，並加入Cu的基板與未加基板的結果作比較。另外還計算了Ni-Fe合金單原子層。 在實驗上觀測到一些磁性薄膜，例如Ni/Cu(001)，Fe/Cu(001)，Fe/Ag(001)等系統，薄膜的磁化強度方向會隨著厚度增加而變化。其他變因（如溫度，組成成分，壓力）也可能影響薄膜的磁性方向，這種磁性方向的轉變，稱為SRT。SRT的發生，理論上可解釋為薄膜系統的總能量中，電子自旋與軌道角動量耦合的一項，造成的各向異性。這個能量修正項在總能量中只佔一小部分，因此要得到它的精確數值便須使計算量變大。本文研究了能量的各向異性，也在定性上探討了藉由比較各方向的軌道磁矩，來得到薄膜磁性的方向。除了SRT現象以外，經由計算也可以得到某些系統的電荷轉移，造成表面與內層電荷與磁性的不同 在Fe，Co以及Ni的單原子層系統中，分別變化各材料薄膜的厚度，結果在觀測到Fe的磁性隨著厚度增加，磁性由原本垂直薄膜的方向轉為平行薄膜方向，而Co與Ni趨勢正好相反，即是由躺平轉為垂直薄膜。而Ni-Fe合金薄膜（單原子厚度）隨著Fe成分增加，磁性方向由躺平轉為站立。在加入Cu基板的計算中，結果出現不一致性，有待進一步研究。電荷分佈的部分則是在數個單原子層的系統中，表面電荷量較內層稍小，而磁矩則是表面較大，這可以解釋為表面與內部原子能帶結構不同所造成。能量的各向異性與比較軌道磁矩的定性方法在未加入Cu基板的系統中頗為相符合，而在加入基板與合金系統中，則顯示若干不一致性，也有待進一步研究。