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

zzМосковский государственный университетим. М. В. ЛомоносоваФизический факультетНа правах рукописиСМЕЛОВА Екатерина МихайловнаТеоретическое исследование магнитных и проводящихсвойств биметаллических наноконтактов и нанопроводовСпециальности: 01.04.07 - физика конденсированного состояния01.04.11 - физика магнитных явленийДиссертацияна соискание ученой степеникандидата физико-математических наукНаучные руководители:д.ф.-м.н., профессорСалецкий Александр Михайловичк.ф.-м.н., доцентКлавсюк Андрей ЛеонидовичМОСКВА - 2016ОГЛАВЛЕНИЕВведение……………………………………………………………………………………. 4Глава 1. Современные теоретические и экспериментальные исследованияквантовых свойств одномерных наноструктур……………………………………….

10§1.1 Методы формированияодномерных однокомпонентных и смешанныхнаноструктур – НК и НП……………………………………………………….. 10§1.2 Квантовые свойства однокомпонентных и смешанных НК и НП…………… 201.2.1 Возможностьформирования,стабильностьвзависимостиотдеформаций растяжения-сжатия, изменения компонентного состава игеометрии НК и НП……………………………………………………….. 201.2.2 Теоретическое и экспериментальное исследование магнитных свойстводномерных НК и НП……………………………………………………..

261.2.3 Теоретическоеиэкспериментальноеисследованиеквантовогобаллистического электронного транспорта через одномерные НК иНП………………………………………………………………………….. 281.2.4 Проводимость магнитных наноконтактов и нанопроводов: спинполяризованный электронный транспорт, спиновая фильтрация.Теория и эксперимент…………………………………………………….. 38Глава 2. Модель и метод исследования………………………………………………... 45§2.1 Теория функционала электронной плотности………………………………….. 45§2.2 Приближение обменно-корелляционного взаимодействия.…………………... 47§2.3 Расчет сил методом первопринципной молекулярной динамики……………..

53§2.4 Самосогласованная система уравнений Кона-Шэма ………………………...... 53§2.5 Решение системы уравнений Кона-Шэма в базисе плоских волн (VASP) ....... 55§2.6 Расчёт магнитных свойств…………………………………………...…..……..... 56§2.7 Метод псевдопотенциалов………………………………………………….….... 60§2.8 Paw-метод.………………………………………………………………………... 63§2.9 Решение системы уравнений Кона-Шэма в базисе локализованных атомныхорбиталей (SIESTA)…………………………………………………………….. 66§2.10 Исследование проводимости наноконтактов и нанопроводов. Методнеравновесных функций Грина (SMEAGOL)..……………………………….67§2.11 Описание модели и параметры вычислений…………..……………………… 79Глава 3.

Результаты и их обсуждение……………………………….…………….…… 84§3.1 Исследование структурных свойств наноконтактов и нанопроводов………..843.1.1 Исследование атомной структуры одномерных Au наноконтактов…... 8423.1.2 Исследование атомной структуры Au нанопроводов…………………... 863.1.3 Моделирование процессов формирования Au-Ag и Au-Co НК………. 883.1.4 Исследованиеструктурнойустойчивостибиметаллических(смешанных) нанопроводов…………………………...

95§3.2 Исследование магнитных свойств НК и НП ……………………….…..……… 1003.2.1 Исследование магнитных свойств Au-Co НК…………………………... 1003.2.2 Исследование магнитных свойств смешанных Pt-X, Pd-X, Au-X, (X=Fe, Ni, Co) НП……………………………………………………………... 1063.2.3 Детальное исследование магнитных свойств Pt-Fe НП. (Обнаружениеспиновой фильтрации в смешанных Pt-Fe НП)………………………… 112§3.3 Исследование проводимости наноконтактов и нанопроводов ………………. 1193.3.1 Исследование проводимости золотых нанопроводов и наноконтактов1193.3.2 Исследование проводимости смешанных Au-Co наноконтактов, AuCo и Pt-Fe нанопроводов……………………….………………………… 121ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ…………………...……………….……… 137СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ…………………………….………………………………….

1393ВведениеОсновной задачей современной наноэлектроники и спинтроники является созданиесистем с управляемыми квантовыми свойствами. Для увеличения скорости записи,обработки информации и увеличения плотности записанной информации необходим новыйподход к созданию наноструктур. Одно из таких решений - использование для записи ипередачи информации спинов отдельных атомов и молекул, так называемая спинтроника.Спинтроника (spintronics) — это область квантовой электроники, в которой дляфизического представления информации наряду с зарядом используется спин частиц.Основной проблемой спинтроники является разработкановых эффективныхметодов управления спинами атомов и молекул.

Особый интерес представляютодномерные структуры – наноконтакты (НК) и нанопровода (НП), на основе которыхвозможно формирование высокоэффективных наносхем с малыми размерами и низкимпотреблением электроэнергии. Большое внимание уделяется исследованиям металлическихНК и НП [1-4],в которых существует возможность манипуляции спинами атомов, и какследствие, управление магнитными и проводящими квантовыми свойствами полученныхсистем. Переломным моментом в исследовании одномерных структур стало обнаружение вних уникальных физических свойств, таких как низкоразмерный магнетизм, гигантскаямагнитнаяанизотропия,баллистическаяквантоваяпроводимость,баллистическоемагнетосопротивление, которые могут быть использованы в устройствах наноэлектроники.Металлические НК и НП, обладающие магнитными свойствами, могут быть использованыв качестве устройств спинтроники, как своеобразные спиновые фильтры, пропускающиеэлектроны преимущественно одной спиновой поляризации, так как ток в них может бытьспин-поляризованным.

Для того чтобыобласти,необходимоусовершенствоватьиспользовать одномерные структуры в этойоптимизироватьспособыметодыуправлениясозданияквантовымитакихсвойствамиструктуриполучаемыхнаноструктур. Одним из уникальных свойств одномерных наноструктур является квантоваяэлектронная проводимость даже при комнатных температурах. При этом ток через такиеструктуры может переноситься всего лишь одним электроном.

Изучение электронныхсвойств одномерных наноструктур занимает важное место в современных научныхисследованиях. Проводимость НК носит чисто квантовый характер, подтвержденный ипроверенныйвомногихтеоретическихиэкспериментальныхработах[4,9,15,17,18,20,37,3841,52-55,68-78]. Активное исследование одномерных систем началосьс экспериментального открытия в 2002 году баллистического магнетосопротивления в НК[74], которое представляет собой взаимосвязь между магнитными и транспортнымисвойствами наноструктур. Однако, стабильные однокомпонентные НК не всегда обладают4ожидаемыми свойствами (магнетизм, проводимость) и управление их свойствамистановится весьма сложной, чаще всего не решаемой задачей.

В связи с этим появляетсяновая область исследований - формирование смешанных НК и НП и изучение ихквантовых свойств [9,23, 39-43]. Впервые стабильный при комнатных температурахсмешанный НК был получен из атомов Au и Ag в экспериментальной работе [39], которыйдаже более стабилен, чем золотой. Для спинтроники тем не менее наиболее интереснымпредставляется исследование свойств смешанных НК и НП из атомов переходных иблагородных металлов (Au, Pt и др.), обладающих низкой реакционной способностью, иатомов 3d металлов (Сo, Fe, Ni и др.).

При этом смешение с атомами 3d металлов можетпривести к появлению необычных магнитных свойств у системы в целом, таких какмагнитная анизотропия, гигантское баллистическое магнетосопротивление [63- 65],обладая при этом высокой структурной устойчивостью к внешним воздействиям различнойприроды (например, к деформациям «растяжения-сжатия», которые возникают в процессероста и формирования провода, к внедрению примесей различной природы).Изучениесвойств НК необходимо не только для фундаментальной физики, но и для практическогоприменения. На сегодняшний день уже опубликован ряд научных работ, в которыхсообщается о создании и исследовании свойств первых низкоразмерных устройствнаноэлектроники и спинтроники на основе одномерных НК и НП. В связи с тем, чтоэкспериментальное получение и исследование одномерных структур на сегодняшний деньсопряжено с большими затратами и является трудоемким и ресурсоемким процессом,важным становится теоретическое исследование процессов и особенностей формированияНК и НП, а также изучение их физических свойств.Цели 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. Провести оценку возможности появления спин-поляризованного электронноготока 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.52.