Co/h-BN异质结构的磁各向异性调控及其在自旋电子器件中的应用研究

本研究通过第一性原理计算揭示了Co/h-BN异质结构的磁各向异性（MA）特性，为解决自旋电子器件中磁存储（MRAM）与磁场传感器的材料设计难题提供了理论依据。研究发现1-5层Co原子薄膜可实现1 mJ/m2量级的垂直磁晶各向异性（MCA），其中单原子Co层表现出1.68 mJ/m2的强垂直磁化特性，其电压调控磁各向异性系数（VCMA）达-175 fJ/Vm，与Fe/MgO体系相当。界面h-BN的屈曲结构被证实可增强垂直MCA，而2-5层Co薄膜则因磁偶极作用呈现面内各向同性，为传感器应用提供理想特性。该成果发表于《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》，为基于六方对称MTJ的新型自旋电子器件开发奠定基础。

　　

在自旋电子学领域，磁随机存储器（MRAM）和磁场传感器的性能高度依赖于磁性薄膜的磁各向异性特性。传统MgO/Fe基磁隧道结（MTJ）虽已成功商用，但其立方对称性限制了进一步性能突破。近年来，具有六方对称性的二维材料如六方氮化硼（h-BN）因其优异的隧穿特性成为研究热点，但与之集成的磁性薄膜的磁各向异性调控机制尚不明确。这一科学问题的解决，对开发下一代高性能自旋电子器件至关重要。

研究人员通过第一性原理计算系统研究了Co/h-BN异质结构的磁各向异性行为。采用薄膜全势线性缀加平面波（film-FLAPW）方法，结合广义梯度近似和DFT-D2范德华力修正，计算了1-5个原子层厚Co薄膜的磁各向异性能（MAE）。通过比较Co原子在h-BN表面不同堆垛构型（N位、B位、空心位和桥位）的稳定性，发现Co位于N原子顶位的构型最稳定。

方法学创新
研究采用film-FLAPW方法实现单层slab模型的精确计算，波函数截断能设为≤3.9 a.u.^-1，Co、B、N的muffin-tin半径分别设为2.2、1.2和1.2 a.u.。通过计算自旋轨道耦合作用下的MAE，结合磁偶极矩贡献分析，首次揭示了h-BN界面屈曲结构对垂直磁晶各向异性（MCA）的增强机制。

关键发现

1. 单原子层特性：单层Co/h-BN表现出1.68 mJ/m²的垂直MCA，其VCMA系数（-175 fJ/Vm）与Fe/MgO体系相当，为低功耗MRAM设计提供新选择。
2. 厚度依赖效应：1-5层Co薄膜均呈现显著垂直MCA（~1 mJ/m²），其中2-5层体系因磁偶极作用导致净MAE转为面内各向同性，这种与取向无关的特性特别适合磁场传感器应用。
3. 界面调控机制：h-BN界面屈曲结构通过增强Co-3d轨道与N-2p轨道的杂化，显著提升垂直MCA，该发现为界面工程调控MAE提供了新思路。

理论突破与意义
该研究首次系统阐明了六方对称MTJ中磁性薄膜的MAE调控规律：

1. 证实h-BN作为隧穿势垒时，仅需单原子层Co即可实现与Fe/MgO体系相当的垂直MAE，突破了传统MTJ对厚磁性层的依赖；
2. 发现面内各向同性MAE的物理起源源于磁偶极矩的竞争作用，这一特性可消除传感器应用中取向敏感性带来的误差；
3. 提出的界面屈曲增强机制为二维材料/铁磁异质结设计提供了普适性指导原则。

Dian Putri Hastuti等人在《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》发表的这项成果，不仅为Co/h-BN基自旋电子器件开发提供了定量设计标准，其揭示的物理机制还可推广至其他六方对称二维材料体系（如石墨烯、MoS₂等），对推动后摩尔时代新型存储与传感技术的发展具有重要指导价值。