Автореферат (Теоретическое исследование магнитных и проводящих свойств биметаллических наноконтактов и нанопроводов)

На правах рукописиСМЕЛОВА Екатерина МихайловнаТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНЫХ ИПРОВОДЯЩИХ СВОЙСТВ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХНАНОКОНТАКТОВ И НАНОПРОВОДОВСпециальности: 01.04.07 - физика конденсированного состояния01.04.11 - физика магнитных явленийАвторефератдиссертации на соискание ученой степени кандидатафизико – математических наукМосква – 2016Работа выполнена на кафедре общей физики физического факультетаМосковского Государственного Университета имени М.

В. Ломоносова.Салецкий Александр Михайлович, докторфизико-математических наук, профессорНаучные руководители:Клавсюк Андрей Леонидович, кандидатфизико-математических наукОфициальные оппоненты:Успенский Юрий Алексеевич, докторфизико-математических наук, Федеральноегосударственное бюджетное учреждениенауки Физический институт им. П.Н.Лебедева Российской академии наук(ФИАН),заведующийсектором.Спичкин Юрий Иванович, кандидатфизико-математическихнаук,ООО«Перспективные магнитные технологии иконсультации», генеральный директор.Федеральное государственное бюджетноеобразовательноеучреждениевысшегообразования«Оренбургскийгосударственный университет».Ведущая организация:Защита состоится « »201 г. вчас. мин.

назаседании диссертационного совета Д 501.002.01 при Московскомгосударственном университете имени М. В. Ломоносова по адресу:С диссертацией можно ознакомиться в Отделе диссертаций Научнойбиблиотеки МГУ имени М.В. Ломоносова (Ломоносовский просп., д.27) и наофициальнойстраницедиссертационногосовета:http://www.phys.msu.ru/rus/research/disser/sovet-D501-002-01/Автореферат разослан «»201 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 501.002.01кандидат физико-математических наук2Лаптинская Т. В.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы:Спинтроника — это область квантовой электроники, в которой для физическогопредставления информации наряду с зарядом используется спин частиц. Особый интересдля спинтроники представляют одномерные структуры – наноконтакты (НК) инанопровода (НП), на основе которых возможно формирование высокоэффективныхнаносхем с малыми размерами и низким потреблением электроэнергии.

В НК и НПсуществует возможность манипуляции спинами атомов, и как следствие, управлениемагнитными и проводящими квантовыми свойствами. Металлические НК и НП,обладающие магнитными свойствами, могут быть использованы в качестве устройствспинтроники,каксвоеобразныеспиновыефильтры,пропускающиеэлектроныпреимущественно одной спиновой поляризации, так как ток в них может быть спинполяризованным.Дляиспользованиянеобходимо оптимизироватьодномерныхструктурвнанолектронике,методы создания наноструктур и усовершенствоватьспособы управления их квантовыми свойствами.Одним из уникальных свойств одномерных наноструктур является квантоваяэлектронная проводимость даже при комнатных температурах, когда ток через НК или НПможет переноситься всего лишь одним электроном.

Изучение электронных свойстводномерных наноструктур занимает важное место в современных научных исследованиях.Считается, что перспективными для спинтроники являются смешанные НК и НП изатомов переходных и благородных металлов (Au, Pt, Pd), обладающих низкойреакционной способностью, и атомов 3d элементов (Сo, Fe, Ni), так как смешение сатомами 3d элементов может привести к появлению необычных магнитных свойств усистемы в целом, таких как магнитная анизотропия или гигантское баллистическоемагнетосопротивление.Следует особо отметить, что такие смешанные системы могут обладать высокойструктурной устойчивостью к внешним воздействиям различной природы, что являетсянаиболее важным новым эффектом смешения элементов в наноструктурах для разработкиновых устройств спинтроники и нанолектроники[1,2]. Изучение свойств НК необходимоне только для практического применения, но и для фундаментальной физики.

В связи стем, что экспериментальное получение и исследование одномерных структур насегодняшний день сопряжено с большими затратами и является трудоемким иресурсоемким процессом, важным становится теоретическое исследование процессов иособенностей формирования НК и НП, а также изучение их физических свойств[3,4].3Цели и задачи диссертационной работыОсновной целью работы является теоретическое изучение методами квантовоймеханики проводящих свойств одномерных биметаллических НК и НП, образованных изатомов благородных или переходных 3d-5d металлов, их взаимосвязи с геометриейсистемы,электроннойструктурой,магнитнымиимеханическимисвойствами,компонентным (элементным) составом.

изучение изменения электронной структуры НК иНП в процессе их формирования и роста в зависимости от компонентного состава игеометрии.Провестиоценкувозможностипоявленияспин-поляризованногоэлектронного тока в магнитных НК и НП.В соответствии с заявленной целью были поставлены следующие задачи:1.Установлениевзаимосвязимеждумеханическимисвойствами,свойствамиэлектронной структуры, и геометрией биметаллических НК и НП из атомов 3d-5dметаллов (M= Fe, Co, Pd, Pt, Au, Ag) в зависимости от их компонентного состава.2. Исследование зависимости магнитных свойств биметаллических НК И НП отгеометрии,химическогодеформацийкомпонентного«растяжения-сжатия»,состава,возникающихэлектроннойвпроцессеструктуры,формированияодномерных структур.3.

Изучение проводящих свойств НК и НП, их зависимости от геометрии, химическогокомпонентногосоставаНПилиНК,деформаций«растяжения-сжатия»,возникающих в процессе формирования одномерных структур;4. Исследование взаимосвязи магнитных и проводящих свойств биметаллических НК иНП.Научная новизна работыВработевпервыепроведеноисследованиеметодомпервопринципноймолекулярной динамики атомной структуры и квантовых свойств металлическиходнокомпонентных и смешанных НК и НП, изучено влияние атомной структуры икомпонентного состава одномерных систем на их проводящие и магнитные свойства,получены следующие новые результаты.1.

Обнаружено новое явление в низкоразмерных структурах – формирование одномерныхспиновых фильтров в двухкомпонентных НП Au-Co, Pt-Fe, на основании исследованияэлектронной структуры одномерных наносистем объяснен механизм формированиясостояния спинового фильтра в двухкомпонентных НП.2. Обнаружена общая закономерность зависимости магнитных свойств от компонентногосостава провода. В том числе при деформациях типа4«растяжения-сжатия»зарегистрирован переход из ферромагнитного в антиферромагнитное состояние во всехисследованных двухкомпонентных НП с железом в качестве второго магнитногокомпонента (Pd-Fe, Pt-Fe, Au-Fe); объяснен механизм существования данного перехода водномерных НП.3.

Установлена зависимость проводящих свойств одномерных биметаллических НП отмагнитных свойств, компонентного состава провода, его атомной структуры и геометрии.4. Установлена зависимость геометрии двухкомпонентных НП от их компонентногосостава.Достоверностьпредставленныхвдиссертационнойработерезультатовподтверждается проверочными численными экспериментами, а также соответствиемрезультатов экспериментальным данным и теоретическим расчетам.Практическая ценностьРезультаты теоретических исследований свойств атомной и электронной структуры,магнитных и проводящих свойств металлических однокомпонентных и смешанных НК иНП способствуют разработке новых устройств наноэлектроники и спинтроники спотенциально важными магнитными, проводящими и механическими свойствами.

Вчастности, при создании1. устройств памяти на основе смешанных НП из атомов благородных ипереходных металлов и ферромагнитных элементов с управляемыми магнитными ипроводящими свойствами;2. устройств записи информации на основе стабильных НП с управляемымпереходом из ферромагнитного состояния в антиферромагнитное, сопровождаемымизменением проводящих свойств системы;3. cпиновых переключающих устройств с экстремально малыми размерами(порядка нескольких Å) и с управляемыми проводящими свойствами;Положения, выносимые на защиту:1.Зависимость квантовой проводимости двухкомпонентных НП от типа магнитногоупорядочения спинов атомов магнитных элементов в проводе.2.Влияние химического состава и геометрии биметаллических НП на их электронныесвойства и проводимость, приводящее к появлению или исчезновению спин-поляризованного тока в НП.3.Образование нового проводящего состояния - спиновый фильтр в Au-Co и Pt-Fe НП,которое обусловлено изменением электронной структуры в проводе.54.Увеличение стабильности однокомпонентного (Pd, Pt, Au) провода при смешении сатомами (Fe, Co).5.Магнитные свойства биметаллических НК и НП.Апробация работы:Вошедшие в диссертацию материалы докладывались и обсуждались на 14конференциях:[1]XVI Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодыхучёных "Ломоносов-2009",Москва (Россия), 8-12 Апреля (2009) (секция физика твердоготела)[2]VII национальная конференция «Рентгеновское, Синхротронное излучения,Нейтроны и Электроны для исследования наносистем и материалов Нано-Био-ИнфоКогнитивные технологии РСНЭ-НБИК-2009» Москва (Россия) 16-21 ноября (2009)[3]XVII Международная научная конференция студентов, аспирантов имолодых учёных «Ломоносов-2010», Москва (Россия),8-12 Апреля (2010)[4]Шестнадцатая Всероссийская научная конференция студентов-физиков имолодых ученых, Волгоград, (2010)[5]"The 2nd Russian-Japanese Young Scientists Conference on NanoMaterials andNanoTechnology", Tokyo, Japan, 21 - 22 septemer, (2010)[6]“19th International Symposium NANOSTRUCTURES: Physics and Technology”NANO-2011, Ekaterinburg, Russia, 20–25 June, (2011)[7]Moscow international symposium of magnetism "MISM-2011", Moscow (RussianFederation), 21-25 August (2011)[8]European Materials Research Society 2011 FALL MEETING E-MRS 2011,Warsaw (Poland) 19-23 September (2011)[9]VIII национальная конференция «Рентгеновское, Синхротронное излучения,Нейтроны и Электроны для исследования наносистем и материалов Нано-Био-ИнфоКогнитивные технологии РСНЭ-НБИК-2011» Москва (Россия) 14-18 ноября (2011)[10]the Joint European Magnetic Symposia (JEMS 2012), Parma, Italy, (2012)[11]XIV Всероссийская школа-семинар «Волны-2013», Москва, Россия, (2013)[12]Moscow international symposium of magnetism "MISM-2014", Moscow, RussianFederation, (2014)[13]“22-th International Symposium NANOSTRUCTURES: Physics and Technology”NANO-2014, Moscow, Russian Federation, (2014)[14]International Conference "Micro- and Nanoelectronics - 2016" ICMNE – 2016,(2016)6Результаты исследований обсуждались на научных семинарах кафедры общейфизики физического факультета МГУ.Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ и Министерства образования.ПубликацииПо результатам исследований, представленных в диссертации, опубликовано 24научные работы, список которых приведен в конце автореферата, в том числе 9 статей вреферируемых журналах из списка предложенного ВАК.Личный вклад автораВсе изложенные в диссертационной работе оригинальные результаты получены авторомлично, либо при его непосредственном участии.СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИВо Введении обоснована актуальность исследуемой проблемы, описано краткоесодержание работы по главам.В Первой главе проведено сопоставление полученных в диссертационной работерезультатов с мировым уровнем исследований в области физики одномерных структур,сформулированы цели и задачи работы.Во Второй главе описан метод теоретического исследования квантовых свойстводномерных структур, используемый в работе, а также описана модель и основныепараметрывычислений.Исследованиепроведенометодомпервопринципноймолекулярной динамики на основе теории функционала электронной плотности.Результаты исследований являются высоко точными и достоверными, так как проводятсяв строго математической формулировке без использования различных подгоночныхпеременных и параметров.