Диссертация (Теоретическое исследование магнитных и проводящих свойств биметаллических наноконтактов и нанопроводов), страница 3

ПЭМ изображение Pt НК методом МКРК (а) и принципиальная схема метода МКРК (б) [6].Методы получения НК и НП путём наноформирования включают в себя всевозможные способы формирования наноструктур посредством манипуляции отдельнымиатомами.Книмотносятся:методанодированияметаллическойнаноплёнкисиспользованием атомно-силового микроскопа (АСМ) [13, 14], метод выжиганияэлектронным пучком[15-17], метод формирования НП на электролите [18], методнанолитографии [19-26].14С помощью АСМ проводится изучение процессов формирования и стабилизациинаноструктур, исследование свойств как проводящих, так и непроводящих структур [13].Методвыжиганияэлектроннымпучкомзаключаетсявследующем:натонкийметаллический нанослой, напылённый на подложку, направляют поток электронов спомощью ПЭМ в две близкие точки слоя металла. В результате образуются две "дырки",при сближении которых на близкие расстояния формируются "мостики" - НК.

На рисунке1.5 представлено ПЭМ изображение Au НК, полученного методом выжигания пучкомэлектронов [17].а)б)Рис.1.5. СТМ-изображение НК сформированного методом выжигания пучком электронов (а), модель AuНК (б) [17].Следует особо отметить, что свойства свободных НП, формирующихся в вакуумеможно использовать для расчётов НП в вертикальных НП в порах диэлектрика [27-32] и надиэлектрических и полупроводниковых подложках [33-36], так как магнитные квантовыесвойства и спин-поляризованный транспорт в НП зависит от взаимодействия атомов в цепиНП, которые не изменяются при взаимодействии с атомами немагнитной поверхностидиэлектрической подложки.Системы металлических НП на диэлектрических поверхностях в настоящее времяявляютсянаиболеенаноэлектронике.перспективнымиОсновнойметодобъектамиформированияисследованийтакихвсистемспинтроникеявляетсяиметоднанолитографии.

К настоящему моменту создано множество различных методов15нанолитографии: dip-pen нанолитография, самосборка, «NanoPen» нанолитография имногие другие. Однако основным недостатком всех вышеперечисленных методов являетсяневозможность или сложность динамического нанесения наноструктур.В работе [26] года получен метод создания одномерных наноструктур споследующим стиранием и нанесением новой надписи на той же поверхности подложки. Вработепродемонстрирована обратимость процессаи долгосрочная стабильностьполучаемых металлических одномерных НП на поверхности подложки без изменений, втечение более чем 1,5 лет при воздействии окружающей среды (Рис.1.6).а)б)в)Рис.1.6.

Изображение процесса перезаписи наноразмерых наноструктур на поверхность образца: записьинформации а), последующее стирание информации б), перезапись информации на поверхности исходногообразца в) [26].Параллельно с процессами формирования НП и НК активно исследуются квантовыесвойства одномерных систем, что является необходимым условием для разработки исоздания новых спинтронных устройств на их основе. Так недавние теоретическиеисследования магнитных свойств металлических НП на подложке выявили новыевозможности управления магнитными спиновыми свойствами одномерных систем [33]. Вработе [33] методом теории функционала электронной плотности было проведеноисследование анизотропии магнитных свойств одномерных цепочек никеля на поверхностиAu(110)-(1×2), в которой было обнаружено, что при осаждении на поверхностинаправление осей лёгкого намагничивания в проводе может меняться с параллельного наперпендикулярное цепочкам никеля [33].

Исследования из первых принципов обладаютвысокой точностью результатов и большой значимостью для развития спинтроники инаноэлектроники. Полученные результаты теоретических исследований квантовых свойствНК и НП играют важную роль для последующего экспериментального получения иисследования одномерных наносистем.16Исследования из первых принципов методами теории функционала электроннойплотности показали, что линейные НП Fe, Co и Ni на поверхности Cu (001) обладаютстабильным и метастабильным ферромагнитным состоянием, наличие подложки неоказывает существенного влияния на значение энергии магнитной анизотропии для Fe иCo, в работе предсказано, что анизотропия магнитных свойств определяется в основноммежатомным взаимодействием в системе НП [34].В экспериментальной работе [35]методами сканирующей туннельной и атомносиловой микроскопии показано, что плоскиемассивы Co НП шириной до 25нм, осаждённых на поверхность Si (111) (Рис.9), прикомнатной температуре являются ферромагнитными, с ярко выраженной анизотропиеймагнитных свойств, с осью лёгкого намагничивания, направленной вдоль оси НП,подтверждая тем самым, что магнитная анизотропия массивов Co НП обусловлена ихформой, а не взаимодействием с поверхностью подложки [35].

На рисунке 1.7представлены СЭМ изображения Со НП на поверхности Si (111).Рис. 1.7. СЭМ изображение массива Co НП на поверхности Si (111) [35].В работе [36] проведено исследование свойств НП на поверхности Si (553),стимулированной золотом, которое показало, что на каждой террасе Si (553) формируютсяпо две золотые цепочки [36]. На рисунке 1.8 представлено СТМ-изображение полученныхAu НП на поверхности Si (553).17Рис.1.8. СТМ-изображение Au НП на поверхности Si (553)[36].Параллельные экспериментальное исследование методами сканирующей туннельноймикроскопии и теоретическое исследование методом теории функционала электроннойплотности атомной структуры и электронных свойств поверхности Si(557)-Au показали,что и чистая поверхность Si (557) и поверхность Si(557)-Au ведут себя идентично поотношению к адсорбированным атомам серебра и обе обладают изолирующими свойствами[38].Следует уделить внимание еще одному новому методу получения одномерных НП в вертикальных порах диэлектрика.

Магнитные и спиновые свойства НП в порахдиэлектриков также в значительной степени определяются межатомным взаимодействием вцепи НП и только в малой степени зависят от взаимодействия с атомами внутреннейповерхности поры. В работе [27] экспериментально получены PtSi НП в вертикальныхпорах диэлектрика (SiO2), показана возможность формирования стабильных систем НП, атакже изучена зависимость свойств атомной структуры проводов от внешнего напряжения.Нарисунке1.9представленосхематическоеизображениеосновнойчастиэкспериментальной установки для получения одномерных Pt-Si НК и НП (а), а также СЭМизображение полученных одномерных Pt-Siувеличенное ТЭМ изображение Pt-Si НП (в).18НП в порах диэлектрика (SiO2) (б) иа)б)19в)Рис.1.9.

Схематическое изображениеPt НП в порах дэлектрика (SiO2): принципиальная схемаосновной части установки (а), СЭМ изображение экспериментальных образцов (б), ТЭМ изображение PtSi НП(в) [27].§1.2 Квантовые свойства однокомпонентныхи смешанныхнаноконтактов и нанопроводов1.2.1 Возможность формирования,стабильность в зависимости отразличных факторов: деформации растяжения - сжатия, изменениякомпонентного состава и изменения геометрии НК и НП.На данный момент различными методиками получено много стабильных НК и НП,при этом наиболее стабильными являются НК из атомов благородных и переходныхнемагнитных материалов, например: Pd, Pt, Au, Ag [2, 16, 37, 38]. Например, в работах [2,16, 37] получены стабильные даже при комнатных температурах НК из атомов Ag [37] и20Au [2,16]. Однако стабильные однокомпонентные НК не всегда обладают ожидаемымисвойствами (магнетизм, проводимость) и управление их спиновыми свойствами становитсявесьма сложной, чаще всего нерешаемой задачей.

В связи с этим появляется новая областьисследований - формирование смешанных НК и НП и изучение их квантовых свойств[9,23, 39-43]. Впервые стабильный при комнатных температурах смешанный НК былполучен из атомов Au и Ag в экспериментальной работе [39], который даже более стабилен,чем золотой. На рисунке 1.10 представлены ПЭM изображения Au-Ag НК.Рис.1.10.

ПЭМ изображение Au-Ag НК [39].Следует заметить, что в наноструктурах возможно смешение таких элементов,которые не смешиваются в кристаллическом состоянии. В теоретической работе [44]исследована возможность смешения Au НП с атомами Zn и Mg. В работе показано, чтосмешанные AuZn и AuMg НП являются более стабильными, чем чистые Zn и Mg провода[44].

На рисунке 1.11 представлена зависимость энергий связи исследуемых в работе [44]НП из которого видно, что энергии связи смешанных НП ниже энергий, соответствующихчистых НП.Одной из центральных проблем физики многокомпонентных наноструктур являетсяих структурная устойчивость к напряжениям, возникающим в процессе формирования ироста смешанных НК и НП и стабильность их атомной структуры для различногоэлементного состава [44].21Рис.1.11. Зависимость энергии связи Au, Zn и Mg НП и смешанных AuZn и AuMg НП от длины НП [44].Впервые теоретически были исследованы смешанные НП: Ti-Ni [45] и Fe-5d [46].При этом исследовались смешанные НП только с равномерным чередованием атомовразличных элементов в проводе. На рисунке 1.12 представлены теоретически рассчитанныезначения энергий связи в зависимости от межатомного расстояния в проводе из котороговидно, что энергии связи смешанных НП ниже энергий, соответствующих чистых НП.Однако создание смешанных проводов с заранее заданным чередованием атомов вних, например, с равномерным чередованием атомов разных сортов в проводе, являетсятехнологически наиболее трудоемким процессом по сравнению с созданием аналогичныхчистых НК.

При создании смешанных НП и НК могут возникать структуры с различныматомным строением и геометрией, конечные конфигурации при этом определяютвеличиной энергетических барьеров иэнергией связи между атомами. При этом всформировавшихся НП и НК могут возникать агрегированные состояния, образованныеатомами каждого сорта [39].22Рис.1.12. Зависимость энергии связи Ti, Ni НП и смешанных Ti-Ni НП от длины НП [44].Их образование может привести к значительному изменению атомных иэлектронных свойств исследуемых систем, поэтому актуальным становится теоретическоеисследование наиболее стабильных конфигураций, а также анализ их структурнойустойчивости.Таквработе[47]проведенотеоретическоеформирования Pd, Pt НПи смешанных Pd-Pt НПфункционалаплотностиэлектронной(ТФЭП).Висследованиевозможностиразличными методами теорииработеполученавозможностьформирования выше перечисленных НП, кроме того проведенные исследования показалибольшую энергетическую стабильность смешанных Pd-Pt НП по сравнению с чистыми Pd,Pt НП.