Исследование электронных и магнитных свойств низкоразмерных металлических систем в методе сильной связи

Экспериментальные и теоретические исследования, проводимые на атомарных кластерах, наночастицах и мультислоях показывают, что большое влияние на формирование и эволюцию магнитных свойств оказывают пространственная размерность, симметрия и форма структур [1]-[3]. Известно, что уменьшение размера (кластеры) или размерности может привести к увеличению магнитного момента традиционно ферромагнитных материалов [3, 4], и превратить немагнитные (для краткости текста, как правило, термином немагнитные материалы в работе будут называться материалы, в которых отсутствует магнитный порядок, то есть пара или диамагнитныетакая сокращенная терминология нередко используется и в международных научных журналахтермины — магнитные материалы, магнетизм — будут использоваться для краткости обозначения ферромагнитных материалов и ферромагнетизмаво всех случаях, когда такое сокращение может привести к недоразумению, будут использоваться точные термины) материалы в магнитные [5]-[8]. Данный факт указывает на возможность получения новых магнитных материалов, которые могут быть синтезированы на уровне атомарного проектирования [9]-[12]. С другой стороны он несет в себе важнейшие технологические изменения в области микроэлектроники: создание в будущем столетии компактных магнитных накопителей информации с объемом памяти до 10 Gb на дюйм-2. Современные экспериментально-технические средства способны создавать на подложках кластеры и наноструктуры определенных размеров и форм, с высокой степенью плотности, и этот процесс регулируется методом контролируемой диффузионной аггрегации [9]-[13]. В решении вопроса о существовании конечного предела для малых магнитов и множественности магнитных решений системы, действенную помощь оказывают теоретические подходы, сопряженные с компьютерным экспериментом. Теоретические подходы на основе первопринципных ab initio и полуэмпирических методов применялись для изучения магнитных свойств различных систем (кластеров, мультислоев, тонких пленок, поверхностей) [14]. При помощи этих методов удается получить детальную информацию о влиянии микроскопических процессов (взаимодействие отдельных атомов на поверхности, внутреннее перемешивание и интердиффузия с подложкой, формирование кластеров и монослоев и т. д.) на энергетику системы и ее электронные и магнитные свойства. Однако подобный анализ чрезвычайно сложен из-за высоких требований, налагаемых на процессы расчета. В последнее время большие достижения в области компьютерного эксперимента были достигнуты с применением мощных вычислительных комплексов. Эти комплексы позволили перейти к сложным моделям в описании реального межатомного взаимодействия кластерных структур, размещенных на поверхности, что позволило более тонко исследовать природу рассматриваемых явлений. Большой интерес представляют более простые схемы расчета, которые позволяют адекватно описывать свойства данных систем. К числу таких схем можно отнести метод сильной связи, который успешно применялся для исследования свойств металлов в объеме, а также свойств кластеров и монослоев на металлических поверхностях [14].

Целью данной работы является изучение электронно-магнитных свойств одномерных наноструктур (цепочек) переходных металлов на идеальной металлической поверхности и вблизи ступени, сформированной на этой поверхности. Ступени представляют собой самые распространенные дефекты плоских поверхностей, поэтому их роль в формировании электронных и магнитных свойств системы очень велика. Исследования проводились для различных комбинаций структуры цепочек и их направлений с использованием компьютерных расчетов в схеме сильной связи, дополненной методом рекурсии в к-пространстве.

Структура диссертации:

Основные результаты и выводы.

1. Впервые рассчитаны методом рекурсии с использованием гамильтониана сильной связи, включающего одночастичные и электрон — электронные взаимодействия, в представлении цепочечных орбиталей распределение плотности электронных состояний и магнитные характеристики одномерных (состоящих из атомов ЛЬ) цепочек, ориентированных вдоль направлений < 010 > и < 110 > на поверхности (001) немагнитного Ag. Показано, что эти цепочки обладают ферромагнитными свойствами. Этот эффект в соответствии с критерием ферромагнетизма Стонера связан с особенностями поведения кривых плотности состояний вблизи уровня Ферми в зависимости от взаимного расположения атомов Ш1-Ш1 и Rh-Ag.

2. Показано, что величина магнитного момента атомов в одномерных ферромагнитных цепочках Ш1 на подложке Ag зависит от ориентации цепочек и различна в цепочках, ориентированных вдоль направлений < 010 > и < 110 >. Обнаруженная впервые ориентационная зависимость связана в основном с различием в расстояниях между атомами КЪ в указанных цепочках.

3. Магнитные характеристики одномерных цепочек Rh/Ag на идеальной поверхности и на ступенях различаются слабо. Полученные данные означают, что возникновение дефектов поверхности типа ступеней не может быть причиной существенного различия магнитных характеристик поверхности, измеренных эксперементально и рассчитанных.

4. Впервые показано, что зависимость магнитных моментов атомов Rll от количества соседствующих цепочек Rh на идеальной поверхности Ag является немонотонной. Этот результат показывает, что магнитные характеристики цепочек определяются не только расстояниями между ближайшими соседними атомами Rh и их координационными числами, но и вкладом более далеких соседей.

5. Прямо доказано с помощью расчета Магнитных моментов атомов Rh в 1−3 цепочках, размещенных вблизи ступени, что высокие магнитные моменты атомов Rh на поверхности Ag определяется не только взаимодействиями между атомами Rh. Определенный вклад в формирование этих характеристик атомов Rh вносят и взаимодействия между электронными подсистемами Rh и Ag. Расчетом парциальных плотностей состояний показано, что к важным факторам формирования магнитных характеристик относятся и sp-d и d-d гибридизации между атомами Rh и Ag.

6. Показано, что перемешивание атомов Rh и Ag подавляет ферромагнитные характеристики системы Rh-Ag только в том случае, если на поверхности возникает бислой, состоящий из упорядоченно расположенных атомов Rh и Ag. Поскольку активное перемешивание атомов Rh и Ag было обнаружено в STM-экспериментах, возникновение подобных структур может быть реальной причиной отличия измеренных магнитных свойств системы Rh/Ag от рассчитанных для монослоя.

Выражаю искреннюю благодарность моим научным руководителям: профессору Альберту Анатольевичу Кацнельсону и доктору физико-математических наук Валерию Станиславовичу Степанюку за постоянное и внимательное научное руководство, помощь и поддержку.

Благодарю профессора Вольфрама Хергерта за его регулярные научные консультации и помощь в работе.