Теоретическое исследование атомной структуры и квантовых свойств металлических наноконтактов и нанопроводов (1104955), страница 2
Текст из файла (страница 2)
В частности при создании:• прочных одномерных структур, обладающих необычными управляемымимагнитными свойствами на основе смешанных нанопроводов из атомовблагородных (Au) и переходных (Pd) металлов и ферромагнитныхэлементов (Fe,Co);• Au-Co нанопроводов с равномерным чередованием атомов золота икобальта, обладающих высокой стабильностью и устойчивостью кдеформациям «растяжения-сжатия»;• Au-Co одномерных наноструктур (НК и НП) обладающих гигантскоймагнитной анизотропией с значениями энергии магнитной анизотропии~140мэВ и состоящих при этом из нескольких атомов;6•прочных Pd-Fe нанопроводов с равномерным чередованием атомов Fe и Pdв них с управляемыми магнитными свойствами, связанными с переходомиз ферромагнитного состояния в антиферромагнитное при растяжениипровода.Положения, выносимые на защиту:1.
Возникновение магнитных свойств палладия при переходе откристаллического массива к структуре нанопроводов и наноконтактовобусловлено изменением межатомного взаимодействия и электроннойструктуры. Магнитные свойства палладиевых наноконтактов зависят от ихатомной структуры и геометрии.2.
Взаимодействие с атомами и молекулами водорода приводит кстабилизации палладиевых наноконтактов при больших межатомныхрасстояниях, близких к моменту начала разрыва идеального палладиевогонаноконтакта.3. Формирование проводящих «водородных мостиков» возможно только врастянутых палладиевых наноконтактах4. Исчезновение магнитных свойств у палладиевых наноконтактов инанопроводов связано с взаимодействием с примесными атомами имолекулами водорода.5. Образование прочных магнитных одномерных структур с управляемымимагнитными свойствами возможно в результате смешения в проводеатомов переходных (Pd) и благородных (Au) металлов с атомамиферромагнитных (Co,Fe) элементов.6.
В смешанных Pd-Fe нанопроводах деформации «растяжения-сжатия»приводят к изменению обменного взаимодействия в структуре провода,которое сопровождается переходом из ферромагнитного состояния вантиферромагнитное.7. «Гигантская магнитная анизотропия» обусловлена сильным межатомнымвзаимодействием в смешанных Au-Co нанопроводах со значениямиэнергии магнитной анизотропии (МАЭ) ~140мэВ.Апробация работыВошедшие в диссертацию материалы докладывались и обсуждались на VIнациональной конференции «РСНЭ НАНО», (Москва, Россия, 12-17 Ноября2007), на XIV (Москва, Россия, 8-12 Апреля 2007), XV (Москва, Россия, 8-12Апреля 2008), XVI (Москва, Россия, 8-12 Апреля 2009) и XVII (Москва,7Россия, 8-12 Апреля 2010) Международных конференциях студентов,аспирантов и молодых учёных по фундаментальным наукам "Ломоносов", намеждународном симпозиуме Moscow international symposium of magnetism"MISM-2008", (Moscow, Russian Federation, 20-25 June 2008), на VIIнациональной конференции «Рентгеновское, Синхротронное излучения,Нейтроны и Электроны для исследования наносистем и материалов Нано-БиоИнфо-Когнитивные технологии РСНЭ-НБИК-2009» (Москва, Россия 16-21Ноября 2009), на международном симпозиуме IV Euro-Asian Symposium“Trends in MAGnetism”: Nanospintronics EASTMAG-2010, (Ekaterinburg, Russia,28 June -2 July 2010), на международной конференции 27-th EuropeanConference on Surface Science (ECOSS-27), (Groningen, Netherlands, 29 August- 3September, 2010).Результаты исследований обсуждались на научных семинарах кафедрыобщей физики физического факультета МГУ.Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ-02-01274-а и гранта ФондаД.
Зимина «Династия».ПубликацииПо результатам исследований, представленных в диссертации,опубликовано 14 научных работ, список которых приведен в концеавтореферата, в том числе 3 статьи в реферируемых журналах из списка,предложенного ВАК.Структура и объем диссертацииДиссертация состоит из общего вводного раздела, трех глав и заключения.В первой главе проводится обзор современного состояний исследований вобласти физики одномерных структур и сравнение полученных в работерезультатов с мировым уровнем.
Вторая глава посвящена описанию методикивычислений и модели исследований. В третьей главе представлены всеполученные результаты. Список цитируемой литературы включает 124наименования, общий объем работы составляет 137 страниц текста, включая 60рисунков и 4 таблицы.Личный вклад автораВсе изложенные в диссертационной работе оригинальные результатыполучены автором лично, либо при его непосредственном участии.8СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИВо Введении обоснована актуальность исследуемой проблемы, описанократкое содержание работы по главам.В Первой главе проведено сопоставление полученных в диссертационнойработе результатов с мировым уровнем исследований в области физикиодномерных структур, сформулированы цели и задачи работы.Во Второй главе описан метод теоретического исследования квантовыхсвойств одномерных структур, используемый в работе, а также описана модельи основные параметры вычислений.
Исследование было проведено методомпервопринципной молекулярной динамики на основе теории функционалаэлектронной плотности. Самосогласованные расчеты из первых принциповявляются очень сильным и точным инструментом в решении задачиопределения физико-химических свойств наноструктур. Главное достоинствопервопринципных методов исследования заключается в использованиифундаментальных знаний, выраженных в строгой математическойформулировке без использования различных подгоночных переменных ипараметров. По этой причине результаты таких исследований обладаютвысокой точностью и достоверностью. Для вычислений была использованапрограмма VASP, итерационно решающая самосогласованную системууравнений Кона-Шэма в базисе плоских волн [8].
В вычисленияхиспользовались приближения локальной плотности (ЛП) и обобщенногоградиента (ОГ) для потенциала обменно-корелляционного взаимодействия.В Третьей главе приводятся основные результаты работы и проводится ихобсуждение.В работе проведены теоретические расчеты свойств атомной иэлектронной структуры Pd наноконтактов методом первопринципноймолекулярной динамики, которые моделировались в соответствии сэкспериментальной работой Матсуды и Кизуки [1] как трехатомная цепочкапалладиевых атомов между двумя Pd электродами (001) (Рис.1).
В результате9Рис. 1. Модель Pd наноконтакта между палладиевыми электродами.расчетов было установлено неоднородное распределение длин связи внаноконтакте при релаксации и переход палладиевого НК из линейнойконфигурации в конфигурацию «зиг-заг» при сжатии электродов. В результатепроведенных расчетов зафиксировано появление локальных магнитныхмоментов у атомов палладия между двумя палладиевыми электродами: ~0.20µ BРис. 2.
Зависимости локальных магнитных моментов от расстояния междуэлектродами палладиевого НК для: центрального атома цепи контакта Pd2 (ОГприближение) (1), крайних атомов Pd1 и Pd3 (ОГ приближение) (2),центрального атома цепи контакта Pd2 (ЛП приближение) (3).10для крайних атомов Pd1 и Pd3 и ~0.35µ B для центрального атома Pd2 в рамкахОГ приближения и ~0.28µ B в рамках ЛП приближения. Установленазависимость величины магнитного момента от расстояния между электродами,геометрии контакта и положения атома в его цепи (Рис.
2). Исследование(а)(б)Рис. 3. Положение атомов водорода в цепи Pd НК между двумя (001)поверхностями палладиевых электродов: в сжатом (а) и в растянутом (б) НК.электронной структуры показало, что появление магнитных свойствобусловлено образованием s-dz2 электронной гибридизации.В рамках первопринципного подхода проведено теоретическоеисследование влияния примесей легких газов (на примере атомарного имолекулярного водорода) на атомную структуру и электронные свойства Pd НКи НП.
В качестве примеси выбран водород, так как палладий имеет высокоесродство к водороду и образует с ним гидриды. Расчеты показали, что атомам имолекулам водорода энергетически выгодно встраиваться в структурупалладиевого НП и в цепь палладиевого НК в сравнении с сорбцией водорода вструктуру палладиевого электрода, при этом прочность палладиевых проводови контактов значительно увеличивается. В сжатом НК (расстояние междуэлектродами <10Å) атом водорода сорбируется сбоку от цепи (см. Рис. 3а), врастянутом – непосредственно в цепь НК (Рис. 3б). В результате сорбцииатомарного водорода в палладиевый НП удельная энергия связи на атом11увеличивается более, чем на 0.5эВ по сравнению с идеальным палладиевым НПво всем диапазоне межатомных расстояний, соответствующих областисуществования НП. При сорбции атомарного водорода в структуру НКудельная энергии связи (в пересчете на атом цепи контакта) увеличивается на~0.1эВ.
Расчеты полной энергии системы показали, что сорбция молекулы вцепь контакта является энергетически выгодной, при этом энергия связиатомов Pd в цепи контакта также значительно повышается. Кроме тогообнаружено, что в процессе сорбции молекулы водорода происходит еёдиссоциация, зависящая от положения молекулы в цепи НК. Показано, чтообразование проводящих «водородных мостиков» возможно только в сильнорастянутых Pd НК с расстоянием между электродами близким к моментуразрыва контакта. В случае сжатия Pd НК молекула водорода сорбируется либорядом с цепью контакта, либо диссоциирует на нем.
В результате проведенныхрасчетов установлено, что при сорбции в цепь НК атомов и молекул водородаувеличивается устойчивость НК к деформациям «растяжения-сжатия», посравнению с идеальным Pd НК, что позволяет объяснить результатыэкспериментальных работ [2,3].Исследование электронной структуры и магнитных свойств палладиевыхНП и НК показало, что встраивание атомов и молекул водорода приводит ксильной перестройке электронной структуры контакта.
В зонной структуревозникают гибридные зоны, образованные s- состояниями водорода и s- и dсостояниями атомов палладия. В результате сильного взаимодействия атомовпалладия с атомами водорода, магнитные свойства палладиевых НП и НКзначительно ослабевают. При взаимодействии с молекулой водорода Pd НКполностью теряет свои магнитные свойства.В связи с экспериментально установленным существованием стабильныхнизкоразмерных сплавов палладия и железа [9], в диссертационной работебыло проведено исследование возможности смешения Pd и Fe в НП. Расчетыпроводились на примере двух конфигураций с одинаковым компонентнымсоставом и различным атомным строением (Рис.
4а,б): конфигурациинанопровода с равномерным чередованием атомов палладия и железа Pd0.5Fe0.5(Рис. 4а) и конфигурации, моделирующей возможность агрегации атомов Pd иFe в проводе (образования димеров Pd2 или Fe2) - Pd0.5Fe0.5*, обозначеннойзнаком «*» (Рис. 4б). Расчеты показали, что во всем диапазоне существованиясмешанных Pd-Fe НП наибольшей стабильностью обладают равномерносмешанные НП Pd0.5Fe0.5 (Рис. 4в). При межатомном расстоянии 2.4 Å Pd-Fe12(а)(б)FeFe-1.2Pd 1-1.620.0Fe-2.0PdPdFe-0.5FeFePdEcoh [эВ]∆Ecoh [эВ]0.5Pd2.3Å3.5Å-2.4Pd123среднее межатомное расстояние [Å](в)Рис. 4.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
