Диссертация (Теоретическое исследование магнитных и проводящих свойств биметаллических наноконтактов и нанопроводов), страница 12

Физическая причина смещения атома заключена в различииатомного окружения у центрального и крайнего атомов в цепи контакта.Рис.2.13. Модель золотого наноконтакта с пирамидальными электродами.Нанопровода(НП)являютсяупрощённоймодельюнаноконтакта(НК)сразведенными на бесконечность электродами, которая позволяет изучить только внутрицепочечные взаимодействия в системе атомов.Для расчетов c помощью ПО VASp была использована модель четырёх атомногоНП (бесконечный НП, в расчетной ячейке которого находится 4 атома вдоль оси OZ).Смешанные НП, образованные из атомов Pt, Pd, Au в качестве базового элемента и атомовCo, Fe, Ni в качестве второго магнитного компонента, также моделировались в работецепочкой из четырех атомов, поочерёдно расположенных вдоль оси OZ (случай равномерносмешанных НП).Транспортныерасчеты проводились вБуттикера [99, 100].

Применялось приближениесоответствии формализмом ЛандауэраCA (Ceperley/Alder) [86] (LDA) дляобменно-корреляционного потенциала.Для атомов Pt и Fe использовались Troullier-Мартинс сохраняющие нормунерелятивистские и нелокальные псевдопотенциалы (PPS). Для генерации(PPS)использовались атомные конфигурации 4s23d6 (Fe) и 5d106s0 (Pt).

Для генерации s, р и dкомпонентов псевдопотенциалов использовались радиусы отсечки (в атомных единицах)соответственно 2,6 а.е., 2,73 а.е. и 2,6 а.е. для Pt и 2,35 а.е., 2,47 а.е. и 2,235 а.е. для Fe.81а)б)Рис.2.14. Схематическое представление исследуемых конфигураций: Au-Co-Au (а) и Au-Co-Co (б).Для исключения взаимодействия провода со своим образом при трансляции повсему пространству размер ячейки в направлениях x и y выбирался ~10 Å (рис.2.15).Рис.2.15. Модель НП, используемая в расчётах для конфигурации «зиг-заг». Pt, Pd, Au в качестве базовогоэлемента и атомов Co, Fe, Ni в качестве второго магнитного компонента для ПО VASP.Для атомов Au и Coтакже использовались Troullier-Мартинс сохраняющие нормунерелятивистские и нелокальные псевдопотенциалы (PPS).Для генерации(PPS)использовались атомные конфигурации 4 s2 3 d7 (Со) и 5 d10 6 s 1(Au).

Для генерации s, р иd компонентов псевдопотенциалов использовались радиусы отсечки (в атомных единицах)соответственно 2,6 а.е., 2,73 а.е. и 2,6 а.е. для Au и 2,35 а.е., 2,47 а.е. и 2,235 а.е. для Co.Базис валентного связывания орбиталей (Split-valence bases) для атомов Co былвыбран: double zeta типа для s, p и d орбиталей с большим радиусом отсечки 6.0 а.е.Электронная температура составляет 300K. Энергия отсечки составляет 250 Ry, котораяопределяет сетку реального пространства для нахождения потенциала и электроннойплотности.Для расчётов проводимости (ПО smeagol) наноконтактов была использована модель,состоящая из 3 атомов цепи наноконтакта и186 атомов электродах (по 93 в каждом),расположенных вдоль оси OZ (рис.2.16).

Каждый электрод представляет собой 6 слоёватомов золота: первые 5 слоя по 16 атомов, 5-ый- 9атомов , 6 -4 атома - наиболее точнаямодель пирамидальных электродов.82Рис. 2.16. Модель смешанного Au-Co НК для ПО Smeagol.Для расчётов проводимости (ПО smeagol) НП была использована модель, состоящаяиз 12 атомов в цепи НП и 8 атомов (по 4 в каждом электроде), расположенных вдоль осиOZ (рис.2.17).Рис.2.17. Модель Au-Co НП для ПО Siesta и Smeagol для линейной конфигурации.83Глава 3. Исследование квантовых свойствнаноконтактов и нанопроводов на основе 3d - 5dМеталлов.§3.1Исследованиеструктурныхсвойствнаноконтактов и нанопроводов1В данном параграфе представлены результаты исследования структурных свойстводномерных наноструктур (НК и НП), механизмы их формирования и атомные процессы,происходящие при их формировании.3.1.1ИсследованиеатомнойструктурыодномерныхAuнаноконтактов.На данный момент самыми стабильными, прочными являются золотые НК, поэтомупервая часть работы посвящена исследованию квантовых свойств и моделированиюатомной структуры золотых НК.

Проведенырасчёты энергии связи между атомами всистеме и их зависимость от величины деформаций. Представлены результаты сериирасчетов энергий связи между атомами в цепи НК с различным расстоянием междуэлектродами, которая моделирует НК на завершающей стадии его формирования (МКРК).В результате определены области существования НП и НК и изменение конфигурации присжатии НП и НК.Контакт моделировался для экспериментальных работ [15] и [16] (рис. 3.1, а)). Нарис. 3.1а представлена модель Au НК с плоскими электродами до релаксации НК (атомыраcположены на одном расстоянии (2.4 Å) друг от друга).

В результате полной релаксацииатомнойструктурыНКбылоустановлено,чтоповерхностныйслойэлектродапритягивается к внутренним (так называемая «inward relaxation»). На рис. 3.1, бпредставлена модельAu НК с плоскими электродами после релаксации НК. Атомыповерхностного слоя, расположенные непосредственно под цепью контакта, вытягиваютсяиз слоя к атомам золота цепи (рис.

3.1,б). В соответствии с полученными результатами вдальнейшем для расчётов используется более точная модель НК с пирамидальнымиэлектродами (рис.3.1, б)). Расстояние между электродами было выбрано так, чтобы1Результаты, представленные в данном параграфе опубликованы в следующих статьях: [105],[107].84межатомное расстояние в цепи контакта соответствовало равновесному расстоянию влинейном НП (2.6Å) в приближении ОГ и составляло 10.4Å.а)б)Рис. 3.1. Модель Au НК с плоскими электродами: до релаксации НК (а) и после релаксации НК (б).РассмотримпроцессформированияНК,которыймоделируетдеформациирастяжения и сжатия НК на завершающей стадии его формирования[15].Введем характеристики НК с пирамидальными электродами: расстояния междуатомами: a, b, c, y, b', d (рис.3.2а).

На рисунке 3.2б) представлена зависимость измененияэтих характеристик от расстояния между электродами. В результате было обнаруженонеоднородное перераспределение атомов золота в цепи НК при релаксации (рис.3.2, б)). Изграфика видно, что при изменении расстояния между электродами - расстояние междувнутренним и поверхностным слоем (а) изменяется незначительно.

Вплоть до расстояниямежду электродами ~10Å не изменяется расстояние (с) между крайним атомом цепи НК иповерхностным слоем. Незначительно изменяется расстояние между центральным икрайним атомами в цепи НК (b и b'). Однако, при растяжении НК до расстояний >10Åситуация резко изменяется. Из рис.

3.2, б) видно, что расстояние между крайним атомом иповерхностным слоем электрода практически не изменяется (кривая d). Не изменяетсярасстояние между центральным атомом золота цепи НК и одним их крайних атомов цепи(кривая b), в то время как расстояние от центрального атома золота до другого крайнегоатома резко увеличивается, вплоть до разрыва НК (при расстоянии между электродами~10.3Å) (кривая b'). На этом же рис. 3.2 б (вставка на рис.

3.2. б)) представлена зависимостьотклонения центрального атома (y) перпендикулярно оси провода от расстояния междуэлектродами.85Расчёт полной энергии системыпоказал, что наиболее выгодная конфигурация(реализующая минимум полной энергии) соответствует расстоянию между электродами~8.7Å, при котором происходит конфигурационный переход цепи золотого НК из линейнойконфигурации в зигзаговую: центральный атом цепи НК смещается на расстояние y= 0.38Åот своего первоначального положенияв цепи (рис.3.2, б)). При данном смещениирасстояние между атомами в цепи контакта составляет 2.73Å.

Расчёты сил, приходящихсяна атом в цепи показали, что при расстоянии между электродами > 10Å, силы в системестановятся практически равными 0, что соответствует разрыву НК.а)б)Рис. 3.2. Модель золотого НК с пирамидальными электродами (a); зависимость распределения межатомныхрасстояний в цепи золотого НК от расстояния между электродами (б). Зависимость отклоненияцентрального атома (y) перпендикулярно оси провода от расстояния между электродами показана навставке.863.1.2 Исследование атомной структуры Au нанопроводов.Как было показано в главе 1 квантовые свойства НК в значительной степени зависятот атомной структурыего цепи.

В данном параграфе представлены результатыисследования внутри цепочечных взаимодействий в системе атомов НК, проведенные врамкахего упрощенной модели- НП. Такая модель позволяет изучить только внутрицепочечные взаимодействия в системе атомов НК. НП представляет собой цепочку изчетырех атомов Au, расположенных вдоль оси OZ. Для исключения взаимодействияпровода со своим образом при трансляции по всему пространству размер ячейки внаправлениях x и y выбирался ~10Å.

Процесс растяжения НП моделировался путемувеличения расстояния между электродами с шагом 0.01Å.При этом определялась полнаяэнергия НП.На рис. 3.3 представлены рассчитанные зависимости полной энергии НП отмежатомного расстояния без релаксации (кривая 1) и с релаксацией НП (кривая 2). На этомже рис. Представлен вид НП для характерных межатомных расстояний. Из рис.3.3 видно,что равновесное расстояние между атомами в Au линейном проводе, соответствующееминимуму полной энергии системы, равно 2.6Å. При этом в результате полной релаксацииатомной структуры золотого НП было установлено, что провод переходит в зигзаговуюконфигурацию при межатомных расстояниях < 2.8Å. зигзаговая конфигурация являетсяравновесной для Au НП.

При увеличении межатомных расстояний принимает идеальнуюлинейную конфигурацию (рис.3.3). В процессе уменьшения межатомного расстояния взолотом проводе в зигзаговой конфигурации межатомное расстояние сохраняетсянеизменным и соответствует равновесному межатомному расстоянию в линейном проводе2.6Å. Уменьшение межатомного расстояния в проводе приводит к смещению атомовотносительно его оси (рис.3.3).Расчеты полной энергии системы показали, что в зигзаговой конфигурации вравновесии расстояние между атомами золота вдоль оси провода составляет 2.3Å.Отклонение атомов от оси провода составляет 1.1Å. Дальнейшее уменьшение межатомныхрасстояний впроводе до расстояний меньших 1.6Å, приводит к образованию двухлинейных одномерных растянутых золотых проводов с межатомным расстоянием 3.1Å,смещённых друг относительно друга на 2Å (см. рис.3.3). Полученный результат хорошосогласуется с результатами экспериментальной работы [15], в которой было показано, чтопри растяжении НК сначала формируются две цепочки золотых атомов, и лишь толькозатем между формируется стабильная одноатомная цепь.87Рис.