밀도 범함수 이론은 전반적인 학문분야에서 다양한 현상을 분석하는데 사용되고 있다. 밀도 범함수 이론의 발전은 물질 구조를 이해하는데 도움을 줄 수 있으며 이는 물성물리학의 발전으로 이어질 수 있다. 자성은 정보 기술분야 뿐만 아니라 네트워크 컴퓨팅에서 중요한 역할을 하고 있으며, 자성을 기반으로 한 정보 저장이 많은 관심을 받고 있다. 자기 저장 장치에서 높은 저장용량을 위해서 자성체의 크기를 줄이는 것이 요구되나, 크기가 줄어들면 열적인 요동에 반해 데이터를 유지하는데 힘들어진다. 이러한 문제를 해결하기 위한 한 방법으로 높은 결정자기이방성을 가진 물질이 제안되고 있다. 박막에서, 전자 얽힘으로 부터 오는 양자우물 효과가 두께에 따른 자기적 성질의 요동에서 중요한 역할을 한다. 그러므로 결정자기이방성과 양자우물 효과를 잘 이해하는 것이 물질의 성질을 다루는데 중요하다. 또한 스핀트로닉스 분야에서 정보 전달이 빠르고 저전력인 장치를 위해 고체물리와 물성물리가 필수적이다. 최근에 전력을 이용한 자화 스위칭이 외부 자기장을 이용한 자화 스위칭보다 전력 소모가 작다. 전력을 이용한 자화 스위칭은 두가지 방법, spin-transfer torque (STT) 또는 spin-orbit torque (SOT)으로 가능하다. STT에 비해 SOT는 에너지 소모가 작고 스위칭이 빠르며 높은 안정성을 보인다. 하지만 SOT 장치를 구현하기 위해서는 많은 양의 스핀류가 필수적이며, 이러한 스핀류를 가지는 물질을 찾는 것이 어려움으로 남아있다. 스핀홀 효과와 오비탈홀 효과가 스핀류를 발생시키는 방법으로 주목받고 있다. 높은 스핀홀 효과와 오비탈홀 효과를 가지는 물질을 찾는 것만큼 그들의 메커니즘을 이해하는 것 또한 SOT를 이용한 장치를 실현하는데 중요하다.
이 학위 논문에서 우리는 밀도 범함수 이론을 이용하여 hcp Co와 fcc Co 박막의 결정자기이방성과 Pd(111) 박막의 자성에 대한 양자우물 효과, 그리고 3d/5d 전이 금속의 스핀홀 전도성과 오비탈홀 전도성에 대해 조사하였다.
이 논문은 다음과 같이 구성 되어있다. 제 1장과 2장은 서론으로 1장은 자성에 대한 전반적인 내용, 2장은 밀도 범함수 이론에 대한 간략한 내용과 결정자기이방성, 스핀홀 전도성, 그리고 오비탈홀 전도성을 계산하는데 쓰인 방법들을 보여주고 있다.
제 3장에서 hcp Co와 fcc Co에서 대칭성과 두께, 그리고 표면효과가 결정자기이방성에 미치는 영향에 대해 조사하였다. 벌크에서 hcp Co의 결정자기이방성 에너지 (EMCA) 는 15.61 μeV/atom으로 계산되었으며 이는 fcc Co의 EMCA인 0.53 μeV/atom보다 훨씬 높은 값이다. 두 에너지의 차이를 분석하기 위해 각 오비탈과 스핀에 대한 기여로 나뉜 EMCA가 사용되었다. fcc Co의 작은 EMCA는 페르미 레벨에 위치한 unoccupied minority |m|=1의 높은 상태밀도로부터 기인한다. Co 박막의 경우에는 EMCA가 증가하게 되는데, hcp Co는 175.90 μeV/atom, fcc Co는 211.48 μeV/atom의 값으로 계산되었다. 박막의 경우에는 hcp와 fcc의 EMCA가 거의 같은 값을 가지는 것을 확인했다. 증가된 EMCA는 페르미 레벨에 매우 인접한 occupied와 unoccupied minority |m|=2 상태로부터 기인한다. 또한 10개층보다 얇은 Co에서 두께에 따른 EMCA의 요동이 양자우물 |m|=1상태로부터 기인함을 확인했다.
제 4장에서는 Pd(111) 박막의 자성에 대한 양자우물 효과를 분석하고 있다. 계산결과에 따르면 2.5층의 주기에서 상자성 상태보다 강자성 상태가 더 안정적인 것으로 확인되었다. 벌크 Pd [111] 방향에서 페르미 표면 nesting 파수가 1.15[]으로 확인되었으며 이는 강자성 박막의 주기성과 잘 일치한다. 양자 우물 상태의 주기적인 페르미 레벨 교차는 스토너 조건을 만족하면서 Pd(111) 박막이 주기적인 강자성을 가짐을 입증한다. 또한 양자우물 효과는 Pd(111) 박막의 표면 에너지에 영향을 끼쳐서 박막의 안정성이 요동하도록 한다.
제 5장에서는 3d/5d 전이금속 (Fe, Co, Ni, V, Cr, Ta, W, 그리고 Pt)과 Al의 스핀홀 전도성과 오비탈홀 전도성을 밀도 범함수 이론을 이용하여 분석하고 있다. 스핀-오비탈 결합과 자기 상태, 그리고 결정구조의 역할에 대해 조사하였다. 전반적으로 오비탈홀 전도성은 ~10³-10⁴ (ħ/e)(Ω·cm)-1으로 매우 큰 값을 보이며 이는 스핀홀 전도성 값보다 매우 크다. 특히, Pt와 Ni은 각각 2234와 1461 (ħ/e)(Ω·cm)-1의 높은 스핀홀 전도성을 가지며 Cr와 W는 각각 9769와 8441 (ħ/e)(Ω·cm)-1의 높은 오비탈홀 전도성을 가진다. 같은 구조를 가지고 주기율표에서 같은 족에 위치한 금속들은 비슷한 오비탈홀 전도성을 가진다: bcc(V, Ta), bcc(Cr, W), 그리고 fcc(Ni, Pt). 베리 곡률을 분석함으로써 오비탈홀 전도성은 구조 대칭성에 의해 오직 특정 k-points에만 존재함을 확인했다. 또한, full-potential을 이용한 방법과 pseudo-potential (PBE와 LDA)을 이용한 방법으로 구한 스핀홀 전도성과 오비탈홀 전도성은 비슷한 경향을 보인다.
제 6장은 이 학위 논문의 결론을 담고 있다.