Автореферат (1104020), страница 2
Текст из файла (страница 2)
1б). Расчет электронных взаимодействий производился припомощи метода ККР [5]. Как видно из рисунка, на кластере и около негорасполагаются чередующиеся зоны притягивающего и отталкивающегопотенциала. Из-за эффекта Смолуховского близко к границе кластера на его7Рис. 2: Распределение атомов меди на кластере меди со стороной 4 нм и в егоокрестности при плотности напыления 0=5% монослоя (ML).поверхности отталкивающие барьеры имеют максимальное значение, а свнешней стороны, в непосредственной близи кластера, – потенциалпритягивающий, что соответствует агломерации атома с кластером.
Далее, понаправлению от границы к центру кластера и к периферии, значениепотенциала взаимодействия осциллирует с периодом, равным половинедлины волны Ферми для поверхности меди (111). Значения чередующихсяминимумовимаксимумовзатухают.Такимобразом,вследствиенеоднородных электронных взаимодействий атома с кластером справедливопредположить, что диффузия одиночного атома вблизи кластера и на егоповерхности при низких температурах будет анизотропная. Также наличиеразрешенных и запрещенных зон должно оказывать существенное влияниена самоорганизацию атомов на кластере и около него.Чтобы показать это, в работе при помощи кинетического метода МонтеКарло промоделирована самоорганизация атомов меди на поверхности меди(111) при различных концентрациях напыления ρ0 и температуре Т = 14 К –минимальной температуре, при которой начинается свободная диффузия начистой поверхности. В модели рассматривалось три типа взаимодействия: 1)атом – кластер (когда атом находится на поверхности кластера); 2) атомкластер(вслучаенахожденияатомарядомскластером);дальнодействующее непрямое взаимодействие двух атомов [5].83)На рис.
2 показано мгновенное распределение атомов меди наповерхности кластера меди и около него при концентрации атомов 5% ML(монослоя). Из рисунка видно, что атомы на поверхности кластера и околонего формируют замкнутые концентрические шестиугольные обриты(обозначены прозрачными шестиугольниками). Расстояние между атомамивнутри одного кольца соответствует локальному минимуму в потенциалевзаимодействия «атом-атом» для меди и равно 11 Å. Первая орбита наповерхности кластера расположена на расстоянии 3 Å от его границы, чтосоответствует области минимума в потенциале взаимодействия «атом –кластер» (рис. 1а). Первая орбита с внешней стороны кластера находится в8 Å от его границы и соответствует первому минимуму в потенциале,изображенном на рис.
1б. Следует также отметить, что формирование вторыхи третьих орбит на кластере и около него происходит, в основном, за счетнепрямого дальнодействующего взаимодействия между атомами 1й орбиты сатомами, находящимися около нее, поскольку влияние кластера на атомнуюдиффузию на этих расстояниях мало.Для демонстрации влияния размерного эффекта на самоорганизациюатомов меди на кластере и вокруг него, в работе рассмотрены гистограммыстатистическиусредненнойплотностиатомов(количествоатомов,приходящихся на площадь концентрического шестиугольного кольца) накластере и вне него как функцию расстояния до границ кластеров.Положительные расстояния r соответствуют областям, расположенным внекластера, в то время как отрицательные – областям внутри него.
Как видно изрис.3, при концентрации ρ0 = 1% ML пик плотности атомов на кластеременьшего размера присутствует только у его границы, т.е. все атомысосредоточены на расстояниях 1.5 Å от края типа А или 3 Å от края типа Б.При данном уровне напыления происходит формирование 1-ой орбитыатомов меди на кластере вдоль его границы. Первый пик плотности внекластера соответствует атомам, присоединенным к кластеру в процессенапыления, в дальнейшем процессе самоорганизации они не подвижны.Следующий максимум плотности находится на расстоянии r 9 Å, чтосоответствует локальному минимуму в потенциале взаимодействия кластера9и атома, расположенного вне кластера (рис. 1б).Атомы, располагающиеся на расстоянии r 9 Å,образуют первую внешнюю орбиту.
Втораяорбитазаселенаатомамименееплотноирасполагается на расстоянии r 17 – 23 Å от краякластера. Влияние электронного взаимодействияс кластером на таких расстояниях мало; поэтомуформирование второй орбиты происходит, восновном, за счет взаимодействия с атомами,расположенныминапервойорбите.Приувеличении ρ0 до 3.5 и до 5% ML наблюдаетсяувеличение заселенности первой орбиты атомовнаверху кластера (r –2 Å). Происходит такжепоследовательное формирование 2-ой и 3-ейорбит (r –12 Å и –22 Å соответственно).
Свнешнейстороныаналогичная:кластераатомыситуацияпреимущественнорасполагаются в разрешенных зонах (r 18 Å и28 Å), в то время как плотность атомов междунимимала.образующимиРасстояниеоднумеждуорбиту,атомами,соответствуетлокальному минимуму в парном потенциалевзаимодействия атомов меди и равно 11 Å.Врезультатеисследованийколичественнопоказано,чтоконфайнментаповерхностныхбыловследствиеэлектроновРис.3:Поверхностнаяплотность атомов (r) накластере и в его окрестностикак функция расстояния дограниц кластера r приразличнойначальнойконцентрации напылении 0:a) 0=1%, b) 0=3.5%, c)0=5% монослоя. На рис b) иc) пики, соответствующиерасстоянию r = -0.2 нмумножены на фактор 0.5.энергия электронного взаимодействия кластера иатома,расположенноговегоокрестности,существенно зависит от местоположения атома.Как наверху кластера, так и в его окрестности возникают чередующиесяконцентрические области с положительной и отрицательной энергиейвзаимодействия – разрешенные и запрещенные зоны.
Существование таких10зон приводит к сильной неравномерности диффузии атома в окрестностиграниц кластера и оказывает колоссальное влияние на процесс атомнойсамоорганизации.Полученныерезультатысвидетельствуютобопределяющей роли квантового конфайнмента поверхностных электронов впроцессах эпитаксиального роста.Четвертая глава посвящена исследованию магнетизма низкоразмерныхнаноструктур. Как показали теоретические работы [5], энергия обменноговзаимодействия J магнитных атомов, стабилизированных свободнымиэлектронами поверхности, может достигать 0,1 – 0,5 мэВ на расстояниях,соответствующихдальнодействующегопервомуминимумувзаимодействия навпотенциалеповерхности типанепрямого(111). Взависимости от расстояния связь между двумя атомами может бытьферромагнитной (J<0) или антиферромагнитной (J>0).В данной главе проведены исследования ферромагнитных свойствнаноструктур,состоящихизмагнитныхатомов,имеющихэнергиюобменного взаимодействия J=-0.3 мэВ, энергию магнитной анизотропииK=1.0 мэВ и магнитный момент =3.2B.
В качестве моделируемых образцоврассмотрены одномерная цепочка, состоящая из 10 и 100 атомов, идвумерный гексагональный массив из 12 и 100 атомов (рис. 4).Результаты моделирования показали, что магнитный отклик одномернойцепочки атомов на внешнее осциллирующее магнитное поле содержитоткрытую петлю гистерезиса вплоть до температуры Кюри T=2 K (рис. 5а,черные точки), что говорит о ферромагнетизме в системе. При этом, еслипредположить, что обменное взаимодействие между атомами отсутствуетРис.
4: Схематическое изображение рассматриваемых при моделировании систем:а) одномерная конечная цепочка атомов, расположенных на одинаковыхрасстояниях друг от друга; б) двумерный гексагональный массив атомов,расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга.11а)б)Рис. 5: Магнитный отклик одномерной цепочки при температурах 1.0К и 2.0К (а) идвумерного массива атомов при температурах 1.2К и 5.0К (б). Количество атомов вобеих структурах N=100.(J=0), то сигнал при температурах меньше 2К – парамагнитный (рис.5, белыеточки). На рис.
5б представлены результаты моделирования магнитногоотклика двумерного гексагонального массива атомов во внешнем магнитномполе. Как видно, температура Кюри данной системы достигает 5К, при этом,в отсутствие обменного взаимодействия между атомами (J=0) кривая (рис.5б, белые точки) демонстрирует парамагнитное поведение системы.Также в главе показано влияние размеров системы на значениекоэрцитивной силы и температуру Кюри. На рис. 6 представленызависимости коэрцитивной силы от температуры для двух систем, состоящихиз разного количества атомов N: в случае одномерной линейной цепочкиN=10(белыеточки)иN=100(черныеточки);длядвумерногогексагонального массива – N=12 (белые точки) и N=100 (черные точки).N = 100N = 12N = 100N = 10а)б)Рис.
6: Температурная зависимость коэрцитивной силы Hc для линейной цепочкиатомов (а) и двумерной гексагональной структуры (б).12а)б)HC(T)Рис. 7: Зависимость коэрцитивной силы Hc цепочки (а) и двумерногогексагонального массива атомов (б) от энергии магнитной анизотропии К и энергииобменного взаимодействия J. Диаграмма получена для температуры системыT=0.5K и количества атомов N=100. Пунктирные линии соответствуютэквипотенциальным линиям коэрцитивной силы соответствующего значения.Температура Кюри одномерной цепочки из 100 атомов равна 1.4 К, а дляцепочки 10 атомов – 1.2 К.
При этом в двумерном гексагональном массиве из12 и 100 атомов, температура Кюри равна соответственно 1.2 К и 5 К.Поскольку в общем случае, энергия обменного взаимодействия атомов Jзависит от расстояния между ними, а энергия магнитной анизотропии отсорта атомов и подложки, для полного представления о ферромагнетизменизкоразмерных систем, стабилизированных поверхностными состояниями,в работе предлагается исследовать зависимость коэрцитивной силы BC отпараметров J и K при фиксированной температуре. Для этого построенадвумерная диаграмма зависимости HC(J, K) – рис. 7. Рисунок демонстрируетвозникновение ферромагнетизма в цепи и двумерном гексагональноммассиве в полном диапазоне значений J и K, принятых в исследованиях.Возрастание J при фиксированном К ведет к увеличению Hc, также как и прификсированном J наибольшее значение Hc достигаются при наибольших К.Было замечено, что мы не можем определить Hc для К>1.5 мэВ, т.к.
нет ниодного переворота спина внутри полупериода осцилляции внешнегомагнитного поля: спины остаются в исходном состоянии, т.е. системасохраняет постоянную начальную намагниченность.В пятой главе количественно объясняется высокотемпературныйферромагнетизм, обнаруженный в экспериментах Д.
Шена [6] по изучениюмагнетизма нанокластеров железа на поверхности меди (111). Эксперимент13Рис. 8: Относительная остаточная намагниченность mr/ms как функция температуры.Синие точки соответствуют магнитной анизотропии K=30 мэВ, красные – K=50 мэВ,черные K=70 мэВ. Пунктирные кривые соответствуют этим же параметрам K, но вотсутствие обменного взаимодействия (J=0 мэВ)заключался в следующем: авторы создали на поверхности меди (111) системукрупных магнитных частиц железа (нанокластеров), находящихся друг отдруга на достаточно больших расстояниях (1-10 нм).
Каждый нанокластерсодержал в среднем 700 атомов. После чего они исследовали 2 видамагнитных откликов этой системы: спад намагниченности со временем иоткликнавнешнеециклическоемагнитноеполе.Оказалось,чтоферромагнитное поведение такой системы сохранялось вплоть до 200К.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
