Диссертация (Теоретическое исследование магнитных и проводящих свойств биметаллических наноконтактов и нанопроводов), страница 13

3.3. Зависимость полной энергии одномерного золотого НП от межатомного расстояния для линейногопровода без релаксации (1) и для провода с релаксацией атомной структуры (2) (стрелкой указан переходзагзаговой конфигурации в линейную).Таким образом, в результате проведенных исследований установлено, чтоформированиеодноатомногопромежуточное образованиелинейногоНПиззолотаосуществляетсячереззигзаговой конфигурации. При значительном увеличениимежатомных расстояний золотого линейного провода (> 3.2Å)- происходит димеризацияатомов золота, и как следствие, разрыву НП. Полученный результат хорошо согласуется срезультатом теоретической работы [108], в которой отличными от методов использованныхв данной работе при увеличении расстояний в НП образуются димеры атомов Au в НП спримесями легких газов.

Следует отметить, что основные структурные изменения НПпроисходят при тех же межатомных расстояниях, что и изменение цепи НК, поэтомуприменение нами его упрощенной модели (модели НП) является корректным.3.1.3 Моделирование процессов формирования Au-Ag и Au-CoНК.В последние годы возрос интереc к исследованиям процессов формирования иквантовых свойств смешанных одномерных структур, которые могут обладать большейстабильностью, по сравнению с чистыми одномерными НП, приобретая при этом новые88квантовые свойства. Например, в работах [9, 23] экспериментально показана возможностьформирования смешанных одномерных Au-Co наноструктур при комнатных температурахс увеличениемих прочности.

Поэтому нами проведено теоретическоеисследованиеквантовых свойств смешанных Au-Co и Au-Ag НК. Были исследованы 2 типа НК (Au-Coи Au-Ag). В дальнейшем эти конфигурации будем обозначать (Au-Ag-Ag)(Ag-Au-Ag) и(Au-Co-Co)(Co-Au-Co)–порядокатомоввцепиконтактасоответствуетпоследовательности элементов в названии. Первоначальные расчёты показали, что НК сконфигурациямиAu-Au-CoиAu-Au-Agявляютсянеустойчивымиотносительнодеформации и уже при незначительном увеличении межатомных расстояний происходитразрыв цепи НК (между атомами золота).Оценка полной энергии системы показала, что данная последовательность атомов вцепи НК является энергетически невыгодной в сравнении со всеми исследованнымиконфигурациями.

Поэтому далее в работе проводится анализ только следующихконфигураций цепи контакта: Au-Ag-Ag,Au-Co-Co, Ag-Au-Ag, Co-Au-Co. Былирассчитаны основные характеристики для исследованных Au-Co и Au-Ag НК: энергиясвязи, межатомные расстояния, сила разрыва НК и распределение электронной плотностив НК. Рассмотрим вначале энергии связи в трёхатомных НК в зависимости от расстояниямежду электродами. Энергия связи вычислялась по формуле:егдеполная энергия всей системы,- энергия электродов,(3.1)е- сумма энергийизолированных атомов, входящих в трехатомный НК.Значение энергии связи золотого НК при увеличении межатомных расстояний (−2.8 ÷−2.7эВ) на два порядка превышает значение средней энергии теплового движения (0.03эВ)примесных атомов окружающей среды. Представленные результаты указывают на то, чтопри комнатных температурах возможно образование стабильныхзолотых НК, чтоподтверждается рядом экспериментальных работ [15,16].

Значение энергии связи дляконфигурации Ag-Au-Ag между атомами Au и Ag (−2.5÷ −2.4 эВ) на два порядкапревышает значение средней энергии теплового движения (0.03 эВ) примесных атомовокружающей среды. Так же рассматриваемые конфигурации менее выгодны энергетическипо сравнению с чистым золотым НК.

Наличие атомов серебра приводит к тому, что разрывконтактов Ag-Au-Ag и Au-Ag-Ag наступает при расстояниях 9.83 Å и 9.85 Å междуэлектродами соответственно, больших, чем в чистом золотом НК.Энергия связи приувеличении межатомных расстояний смешанного Co-Au-Co контакта между атомами Au иCo (-3.6÷-3.3 эВ) превышает энергию связи между атомами золота (-2.8÷-2.7эВ) в чистом89золотом НК на всем диапазоне межатомных расстояний.

Это означает, что силы разрывадолжны увеличиваться по сравнению с чистым золотым НК (таб. 3.1).В таб.3.1 представлены значения сил разрыва, соответствующих моменту разрыва имежатомных расстояний (a,b,d) в смешанных трех-атомных НК. Как видно из таб. 3.1наличие атомов серебра приводит к уменьшению силы разрыва НК: 0.76*10-9 H для Ag-AuAg и 0.55*10-9 H для Au-Ag-Ag(сила разрыва чистого золотого НК равна 0.88 *10-9 H).Расчеты показали, что разрыв Au-Co контакта в цепи происходит при увеличениимежатомных расстояний в проводе до расстояния между электродами, равного 9.46Å, приэтом сила разрыва равна 0.88*10-9 H.

Максимальное значение силы упругости определяетсилу разрыва и, как следствие, момент разрыва (таб. 3.1).Таб. 3.1.Сила разрыва НК, расстояние между атомами НК и схематическое представление НК в момент разрывадля конфигураций НК.Расстояние междуСила разрываатомами НК вСхематическое представлениеконфигурацияНКмомент его разрываНКAu-Au-AuF,10-9 Н0.88а, Å2.73b, Å2.73d, Å9.46Ag-Au-Ag0.762.822.829.83Au-Ag-Ag0.552.793.059.85Au-Co-Co12.722.178.59Co-Au-Co1.032.622.628.58В эксперименте разрыв контакта - это протяженный во времени процесс,соответствующий диапазону межатомных расстояний, в котором изменяются всехарактерные физические свойства контакта.

При этом следует отметить, что нарушениесимметрии НК и НП в рамках используемой методики вычислений и принятой расчётнойточности мы определяем с точностью до 0.01Å. Разрыв связи между центральным икрайним атомами приводит к последующему притяжению крайнего атома к поверхностиэлектрода. В равномерных конфигурациях (Ag-Au-Ag и Co-Au-Co) ввиду симметричногораспределения электронной плотности в цепи контакта относительно центрального атоманеоднородноераспределениемежатомныхрасстоянийустанавливаетсявмоментнарушения симметрии электронной плотности, то есть непосредственно перед разрывомконтакта. Смещение центрального атома в случае расчетов симметричных структур90контакта носит флуктуационный характер и вероятность смещения в обе стороныодинакова.

Физическая причина смещения атома заключена в различии атомногоокружения у центрального и крайнего атомов в цепи контакта.Рассмотрим результаты исследования изменения НК при их разрыве. В конфигурацииAg-Au-Ag расстояния между атомами серебра и поверхностями электродов (1.9÷2.1Å) приувеличении межатомных расстояний контакта изменяются симметрично вплоть до моментаего разрыва.

Расстояния между атомами серебра и золота при увеличении межатомныхрасстояний также изменяются симметрично. Однако перед разрывом в цепи происходитсмещение центрального атома золота к атому серебра. Расстояние между центральныматомом золота и атомом серебра сильно увеличивается, что приводит к нарушениюсимметрии и разрыву.Наиболее сильное перераспределение межатомных расстояний происходит вконфигурации Au-Ag-Ag. При этом расстояние между атомом золота и центральныматомом серебра практически не изменяется, также как и расстояние между крайнимиатомами и поверхностями электродов. Увеличение длины НК происходит, главнымобразом, за счет значительного увеличения расстояния между атомами серебра,приводящего к разрыву контакта при расстояниях между электродами более, чем 9.85Å.В конфигурации Co-Au-Co НК увеличение межатомных расстояний не вызываетизменения расстояний между атомами Co и остается равным 1.59Å (в чистом золотом НКэто расстояние равно 2.0Å).

Расстояние между атомами Au и Co увеличиваетсясимметрично при растяжении электродов. При расстоянии между электродами 8.59Åпроисходит существенное смещение атома золота в сторону одного из атомов Co,приводящее к разрыву НК.Для Au-Co-Co НК при увеличении межатомных расстояний существенно изменяетсятолько расстояние между атомами золота и кобальта, при этом разрыв контакта наступаетпри расстоянии между электродами 8.58 Å на связи Au-Co. Расстояние между атомом Co иповерхностью электрода (1.6Å), расстояние между атомом Au и поверхностью электрода(2Å) и расстояние между атомами Co (2.08Å) практически не изменяется.Для установления связи между электронными и механическими свойствами НК былпроведенрасчетраспределенияэлектроннойплотностидлявсехисследуемыхконфигураций смешанных Au-Co и Au-Ag НК.

На рис.3.4 представлено распределениеэлектронной плотности для всех исследуемых конфигураций в момент разрыва НК. Дляконфигурации Ag-Au-Ag (рис.3.4, б)) наибольшая электронная плотность сосредоточена насвязи Au-Ag, при этом электронная плотность между атомами золота и серебра в этойконфигурации меньше, чем между атомами золота в чистом золотом НК (рис.3.4, a), б)).91Это объясняет причину уменьшения силы, необходимой для разрыва смешанного контактаAg-Au-Ag при увеличении межатомных расстояний, в сравнении с чистым золотым(см.таб.3.1).

Симметричное распределение электронной плотности между центральныматомом золота и крайними атомами серебра ведет к равномерному изменению межатомныхрасстояний при растяжении контакта вплоть до критических значений 2.82 Å. Этообеспечивает увеличение области существования смешанных Au-Ag НК. При увеличениимежатомных расстояний до критических значений дальнейшее симметричное вытягиваниестановится энергетически невыгодно, и центральный атом смещается в сторону одного изэлектродов.В конфигурации Au-Ag-Ag (рис.3.4,в)) максимальная электронная плотность всистеме сосредоточена на связи Au-Ag (рис.3.4,в)) а минимальная на связи между атомамисеребра.