Теоретическое исследование атомной структуры и квантовых свойств металлических наноконтактов и нанопроводов (1104955)
Текст из файла
ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТНа правах рукописиУДК 538.9ЦЫСАРЬ Ксения МихайловнаТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ АТОМНОЙ СТРУКТУРЫ И КВАНТОВЫХСВОЙСТВ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ НАНОКОНТАКТОВ И НАНОПРОВОДОВСпециальности: 01.04.07 - физика конденсированного состояния01.04.11 - физика магнитных явленийАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМОСКВА – 2011Работа выполнена на кафедре общей физики физического факультетаМосковского государственного университета имени М.В. Ломоносова.Научные руководители:доктор физико-математических наук,профессор Салецкий Александр Михайловичкандидат физико-математических наук,Бажанов Дмитрий ИгоревичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,профессор Бушуев Владимир Алексеевичкандидат физико-математических наук,Книжник Андрей АлександровичВедущая организация:Центр фотохимии РАНЗащита диссертации состоится “15” июня 2011 года в 15.30 на заседанииДиссертационного Совета Д.501.002.01 по специальностям "Физикаконденсированного состояния" и “Физика магнитных явлений” приМосковском государственном университете имени М.В.
Ломоносова по адресу:119991, ГСП-1, Москва, Ленинские горы, МГУ, физический факультет, южнаяфизическая аудитория.С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке физическогофакультета МГУ имени М.В. Ломоносова.Автореферат разослан “” мая 2011 года.Ученый секретарьДиссертационного Совета Д.501.002.01кандидат физико-математических наук,2Т.В. ЛаптинскаяОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темыСреди перспективных и инновационных технологий 21 века ведущееместо занимают наноэлектроника и её подраздел – спинтроника, в которойнаряду с зарядом частиц для физического представления данных используетсяспин частиц, что позволяет во много раз увеличить плотность записи ипередачи информации.
Особый интерес представляют одномерные структуры –наноконтакты (НК) и нанопровода (НП), на основе которых возможноформирование высокоэффективных наносхем с малыми размерами и низкимпотреблением электроэнергии. Большое внимание уделяется исследованиямметаллических НК и НП [1 -3], которые могут быть получены даже прикомнатных температурах. Переломным моментом в исследовании одномерныхструктур стало обнаружение в них уникальных физических свойств, таких какнизкоразмерныймагнетизм,гигантскаямагнитнаяанизотропия,баллистическаяквантоваяпроводимость,баллистическоемагнетосопротивление, которые могут быть использованы в устройствахнаноэлектроники.
Металлические нанопровода и наноконтакты, обладающиемагнитными свойствами, могут быть использованы как устройстваспинтроники, как своеобразные спиновые фильтры, пропускающие электроныпреимущественно одной спиновой поляризации, так как ток в них может бытьспин-поляризованным.Активноеисследованиеспин-поляризованногоэлектронного транспорта началось с экспериментального открытия в 2002 годубаллистического магнетосопротивления в наноконтактах [4], котороепредставляет собой взаимосвязь между магнитными и транспортнымисвойствами наноструктур. Открытие баллистического магнетосопротивленияпривело к активному изучению возможностей управления спином атомов внаноконтактах и нанопроводах и, как следствие, их транспортными имагнитными свойствами. Так как многие стабильные при комнатныхтемпературах проводящие наноконтакты являются немагнитными иследовательно, непригодными для применения в устройствах спинтроники,возникает новая область исследований – изучение магнитных и транспортныхсвойств смешанных наноконтактов и нанопроводов.
На сегодняшний день ужевозможно создание таких структур. Первой успешной экспериментальнойработой по формированию одномерных смешанных наноконтактов сталаработа Беттини и др. [5], в которой они получили стабильные при комнатнойтемпературе Au-Ag наноконтакты. Для спинтроники наиболее интересным23представляется исследование свойств смешанных НК и НП из атомовпереходных и благородных металлов (Au, Pt и др.), обладающих низкойреакционной способностью, и атомов магнитных элементов (Сo, Fe, Ni и др.).
Врезультате получившиеся структуры могут обладать уникальнымифизическими свойствами, такими как гигантская магнитная анизотропия,баллистическое магнетосопротивление, при этом обладая высокой структурнойустойчивостью к внешним воздействиям различной природы [6,7]. Однако, впроцессе формирования наноконтактов и нанопроводов в их структуру могутвстраиваться примесные атомы и молекулы, от которых практическиневозможно избавиться даже при проведении экспериментов в условиях ультравысокого вакуума. Взаимодействие с примесями может значительно изменятьгеометрию и атомную структуру наноконтактов и нанопроводов, чтовпоследствии приводит к значительному изменению их механических иквантовых свойств [2,3]. В связи с этим изучение взаимодействия НК и НП спримесями различной природы является одной из важных задач в физикенизкоразмерных систем.
Изучение свойств наноконтактов необходимо нетолько для фундаментальной физики, но и для практического применения. Насегодняшний день уже опубликован ряд научных работ, в которых сообщаетсяо создании и исследовании свойств первых низкоразмерных устройствнаноэлектроники и спинтроники на основе одномерных наноконтактов инанопроводов. В связи с тем, что экспериментальное получение и исследованиеодномерных структур на сегодняшний день сопряжено с большими затратами иявляется трудоемким и ресурсоемким процессом, важным становитсятеоретическое исследование процессов и особенностей формированиянаноконтактов и нанопроводов, а также изучение их физических свойств.Цели и задачи диссертационной работыОсновной целью данной работы является комплексное исследованиеатомной и электронной структуры, магнитных и механических свойствметаллических одномерных наноструктур - наноконтактов и нанопроводов сиспользованием первопринципных методов вычислений, установлениеосновных особенностей атомной и электронной структуры наноконтактов инанопроводов при их формировании и росте с образованием устойчивойхимической связи, особенностей изменения их свойств в зависимости отгеометрии и химического (элементного) состава, с учетом приложенныхнапряжений (растяжений или сжатий), наличия дефектов, включая примесиразличной природы.41.2.3.4.5.6.7.В соответствии с заявленной целью были поставлены следующие задачи:Исследовать особенности межатомного взаимодействия металлическихНК и НП на основе ряда 3d-5d металлов (M=Fe, Co, Pd, Au, и др.),состоящих из одного или нескольких элементов, установить роль каждогоэлемента в структуре смешанного металлического НК или НП;Установитьосновныефакторыэлектронноговзаимодействияответственные за образование устойчивой химической связи внутри НКили НП в зависимости от их химического (элементного) состава,геометрии структуры;Исследовать атомную структуру и геометрию одно- и двухкомпонентных(смешанных) наноконтактов и нанопроводов;Выявить характерные изменения атомной и электронной структуры,структурной устойчивости смешанных и однокомпонентных НК и НП вприсутствии примесных атомов и молекул или при приложениидеформации «сжатия-растяжения»;Изучить магнитные свойства НК и НП, их зависимость от атомнойструктуры,химического(элементного)состава,приложенныхдеформаций;Изучить влияние магнитных примесей и примесей легких газов (водород)на стабильность, спиновую поляризацию и квантовые транспортныесвойства металлических НК и НП;Исследовать анизотропию магнитных свойств однокомпонентных исмешанных нанопроводов, установить основные механизмы, приводящие кпоявлению в них «гигантской магнитной анизотропии».Научная новизна работыВ работе впервые проведены комплексные исследования на основерасчетов из первых принципов атомной структуры и квантовых свойствметаллических однокомпонентных и смешанных НК и НП, изучено влияниепримесей на их атомную структуру и магнитные свойства, полученыследующие новые результаты:1.
Показано, что немагнитный в кристаллическом массиве палладий водномерных структурах (НК и НП) приобретает магнитные свойства,которые в сильной степени зависят от их геометрии;2. Установлено, что в присутствии примесей водорода палладиевыенаноконтакты и нанопровода теряют свои магнитные свойства;53. Показано, что атомы и молекулы водорода стабилизируют палладиевыйнаноконтакт при больших межатомных расстояниях близких к моменту егоразрыва, а также увеличивают его прочность;4. Обнаружен переход из ферромагнитного в антиферромагнитное состояниев равномерно смешанных Pd-Fe нанопроводах при наложении деформаций«растяжения-сжатия»;5.
Проведено исследование смешанных металлических нанопроводов напримере системы Co/Au и показано, что стабильные смешанные Au-Coнанопровода формируются только при условии равномерного чередованияатомов Au и Co в проводе;6. Впервые обнаружена «гигантская магнитная анизотропия» (~140 мэВ) вравномерно смешанных Au-Co нанопроводах и зависимость анизотропныхмагнитных свойств от геометрии провода.Достоверность представленных в диссертационной работе результатовподтверждается проверочными численными экспериментами, а такжесоответствием результатов экспериментальным данным и теоретическимрасчетам.Практическая ценностьРезультаты теоретических иссследований свойств атомной и электроннойструктуры, магнитных и транспортных свойств металлических наноконтактов инанопроводов, образующихся между электродами, проведенных в работе иустановленнные механизмы их формирования и роста в зависимости отгеометрии и химического состава структуры будут способствовать разработкеновых материалов с потенциально важными магнитными, электронными имеханическими свойствами.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
