Структура интерфейсов и магнитные свойства металлических наносистем

Исследование низкоразмерных магнитных систем, интенсивно проводимое последние годы, принесло открытие целого ряда новых явлений, важных как с точки зрения фундаментального магнетизма, так и приложений в наноэлектронике [1,2]. С развитием технологий создания наноструктур все большее значение приобретает экспериментальное и теоретическое изучение структурных дефектов, которые приводят к 1 качественному изменению магнитных и транспортных свойств низкоразмерных систем. Такие дефекты в принципе невозможно избежать в процессе эпитаксиального роста, но и сами они под действием внешних условий могут формировать новые упорядоченные структуры, представляющие большой интерес для практического использования. Исследование структурных и магнитных дефектов, шероховатости интерфейсов, внутренней диффузии, погруженных магнитных кластеров — сложная проблема, для решения которой используется целый спектр экспериментальных методов. Однако большинство этих методов дают только усредненную или косвенную информацию о пространственной и магнитной структуре дефектов на атомном масштабе, а интерпретация экспериментов сама по себе является трудной неоднозначной задачей. Поэтому развитие теоретического подхода, позволяющего проводить расчеты неидеальных структурно-неоднородных систем и на их основе единым образом интерпретировать данные различных экспериментальных методик, представляет собой принципиальную проблему низкоразмерного магнетизма.

Существующие расчеты из первых принципов, основанные на методе функционала плотности [3], не позволяют описывать электронную структуру сложных слоистых систем, где однородность нарушена в плоскости каждого слоя. Число неэквивалентных атомов при таких расчетах, как правило, не превосходит нескольких десятков. Это определяет интерес к методам, основанным на использовании модельных гамильтонианов, в первую очередь гамильтонианов Хаббарда и периодической модели.

Андерсона для описания реальных систем [4]. Разумеется, вычисления в рамках метода модельных гамильтонианов не могут учитывать того же множества взаимодействий, как и расчеты из первых принципов. Однако, часто они дают довольно близкие результаты для тех же систем, позволяя рассмотреть объекты, гораздо более приближенные к изучаемым в эксперименте. При расчетах, как правило, используется формализм функций.

Грина, причем распределение локальных моментов определяется в конфигурационном i пространстве с помощью метода рекурсий [5]. В рамках такого подхода выполнено большое количество расчетов магнитных поверхностей, интерфейсов и магнитных кластеров на металлических подложках.

Магнитные свойства поверхностей и интерфейсов металлических структур часто отличаются от свойств массивного образца. Это особенно важно для наносистем, где доля поверхностных и интерфейсных атомов возрастает, и именно они могут определять наблюдаемое магнитное поведение. Отсутствие пространственной симметрии в направлении, перпендикулярном границе раздела, а при учете шероховатости и в ее плоскости, делает задачу расчета магнитных моментов на атомном масштабе весьма трудоемкой. Одной из наиболее изучаемых систем, как экспериментально, так и теоретически, являются сверхрешетки Fe/Cr. Именно в этих структурах были открыты эффекты осцилляций межслойного обменного взаимодействия [6] и гигантского магнетосопротивления [7], за которые П. Грюнбергу и А. Ферту была присуждена Нобелевская премия 2007 года [8,9]. Много усилий было посвящено исследованиям химической и магнитной структуры поверхностей Fe, Cr и интерфейса Fe/Cr на атомном масштабе. Методами туннельной спектроскопии было обнаружено сильное перемешивание на интерфейсах Fe/Cr [10] и Cr/Fe [11], хотя структура этих интерфейсов оказалась различной, несмотря на близкие режимы напыления образцов. Распределение магнитных моментов изучалось с помощью мессбауэровской спектроскопии [12], рассеяния поляризованных нейтронов [13], магнитометрических измерений [14]. Для формирования поверхностей и интерфейсов с определенной ориентацией относительно кристаллографических осей используются разные подложки и режимы эпитаксиального роста. Так на поверхности ТЬ методом лазерной депозиции удалось вырастить пленки Сг с ориентацией (111) [15], имеющие меньшую плотность поверхностных атомов, чем поверхности (100) и (110). Такие образцы представляют большой интерес с точки зрения магнитных свойств. Однако, изучение фотоэмиссии, вызванной рассеянием синхротронного излучения, показало, что на интерфейсах Ре/Сг (111) имеет место перемешивание атомов, что приводит к формированию размытого интерфейса [16].

Магнитные свойства интерфейсов Сг (110)/8п [17] и Ре/Сг (110) [18] изучались экспериментально в мессбауэровских экспериментах с пробными слоями 1198п. Использование в пробных слоях немагнитного олова вместо магнитного железа позволило получить информацию о собственном магнетизме хрома. Однако и здесь наличие широкого распределения сверхтонких полей говорит о существовании перемешивания атомов при выращивании образца. Кроме того, оказалось, что химическая и магнитная структура интерфейсов, образующиеся при напылении металла, А на металл В и металла В металл, А различны. Этот эффект был объяснен на основе предложенной нами модели перемешивания в процессе эпитаксиального роста [19].

Самосогласованные расчеты магнитных моментов вблизи поверхностей и интерфейсов многослойных систем показали существование разных решений с близкой энергией [20]. При этом антиферромагнитная структура массивного образца в направлении (100) порождает ферро (ФМ) или антиферромагнитное (АФ) упорядочение на поверхности в зависимости от ориентации поверхности относительно кристаллографических осей. Формирование АФ упорядочения на поверхности называют «топологическим» антиферромагнетизмом [21]. Этот эффект был подтвержден в экспериментах по спин-зависящей туннельной спектроскопии [11] и магнитометрических измерениях в процессе напыления хрома на ступенчатую поверхность железа (100) [14].

Аналогичное поведение было теоретически предсказано при расчетах тонких пленок хрома на поверхности АУ (Юк). В зависимости от значения «к» здесь тоже было получено ФМ или АФ упорядочение [22].

Для идеальных поверхностей и интерфейсов магнитоупорядоченных Зс1-металлов удается провести расчеты магнитных моментов из первых принципов, поскольку число неэквивалентных атомов здесь невелико [23−25]. Параметры при расчетах в методе модельных гамильтонианов подбираются далее таким образом, чтобы воспроизвести результаты для этих идеальных систем. Знание этих параметров открывает возможность проводить расчеты сложных пространственно-неоднородных систем с атомным разрешением.

Остановимся на результатах исследования магнитных наноструктур на немагнитной, подложке, которые привлекли последнее время большое внимание благодаря развитию технологий создания и контроля магнитных наноструктур с атомным разрешением. Малые магнитные кластеры, состоящие из нескольких атомов, представляют особый интерес, поскольку, во-первых, это «строительные блоки» при эпитаксиальном росте и, во-вторых, они демонстрируют очень интересное поведение, которым можно управлять путем изменения внешних условий, таких как температура или магнитное поле. Подобные явления не наблюдаются ни для отдельных адсорбированных атомов вследствие простоты системы, ни для больших (на атомном масштабе) объектов, таких как островки или монослои, благодаря статистическому усреднению. Несмотря на большое количество теоретических работ посвященных магнитным наноструктурам на металлической поверхности, многие аспекты их поведения до сих пор не ясны и противоречивы.

Сложное магнитное поведение малых кластеров обычно связано с конкуренцией нескольких взаимодействий и с существованием нескольких метастабильных состояний, близких по энергии. Основное состояние можно тогда изменить внешним воздействием и это приведет к большому изменению характеристик кластера, таких, например, как полный магнитный момент. Недавние расчеты из первых принципов малых кластеров на поверхности предсказывают множество сценариев магнитного поведения в зависимости от элементного состава кластера, подложки и микроскопического расположения атомов [26−28]. Эти расчеты учитывают реалистические межатомные расстояния и не требуют подгоночных параметров. Они позволяют рассчитывать электронную плотность состояний и локальные магнитные моменты примесей переходных металлов в массивном образце и на поверхности различных металлических матриц. Однако большинство расчетов из первых принципов были выполнены в предположении о коллинеарном магнитном состоянии, хотя коллинеарное состояние часто не является основным для малых кластеров и даже для Зс1-монослоев. Лишь недавно появился ряд результатов, полученных при расчетах из первых принципов, которые подтвердили важность учета неколлинеарности для реалистичного описания низкоразмерных магнитных систем. Например, расчеты электронной и магнитной структуры монослоев Сг и Мп на треугольной решетке на поверхности Си (111), выполненные из первых принципов с учетом неколлинеарности, показали, что основным магнитным состоянием является трехмерная неколлинеарная спиновая структура для Мп и двумерное неколлинеарное 120° Неелевское состояние для Сг [29,30]. Расчеты в рамках метода функционала плотности для неколлинеарных структур дали аналогичное основное состояние для монослоя Сг, но коллинеарное основное состояние с антиферромагнитно (АФ) связанными рядами и с (2×2) периодичностью для Мп [31]. Ситуация с малыми кластерами еще более сложна. Исследование эффекта неколлинеарности в АФ связанных кластерах с использованием общей, инвариантной относительно вращения, формы теории функционала локальной спиновой плотности, показывает, что малые кластеры Сг (N<13) стремятся к неколлинеарной конфигурации локальных моментов вследствие фрустраций [32]. Ода и др. [33] в рамках метода функционала спиновой плотности совместно с методом молекулярной динамики обнаружили неколлинеарную магнитную структуру даже для свободного кластера Без в виде линейной цепочки. Расчеты в рамках векторного обобщения модели Александера-Андерсона [34], показали, что неколлинеарное упорядочение характерно для малых кластеров на проводящей подложке. Как впервые было показано в наших работах [35−38], большинство кластеров в форме тримера, построенных из магнитных Зс1-элементов, демонстрируют неколлинеарное упорядочение по крайней мере в определенной области значений параметров перескока, определяемых межатомными расстояниями в кластере. Сейчас этот результат подтвержден в цикле расчетов из первых принципов, проведенных разными группами [39−42].

Степанюк и др. [26], с помощью ККЯметода функций Грина в коллинеарном приближении обнаружили четыре магнитные конфигурации практически для всех 3<1-тримеров на поверхности Си (0 0 1). Величина полного магнитного момента для тримера Сг изменялась от 0 до 12 цв при переходе от «АФ» к «высокоспиновому ФМ» состоянию. Однако, в случае кластеров Сг на поверхности, неколлинеарные состояния также необходимо учитывать и неединственность решений, обнаруженная в [26], может быть просто признаком неколлинеарного упорядочения в системе. Вопрос об устойчивости решений относительно вращений магнитных моментов не может быть решен в рамках коллинеарной модели. Если такой устойчивости нет, то вывод относительно скачкообразных переходов между различными магнитными состояниями является лишь артефактом коллинеарной модели. Похожая ситуация с существованием нескольких спиновых состояний для изолированного Мпз кластера была обнаружена в [43] с помощью комбинации метода атомных-молекулярных орбиталей с формализмом функционала плотности. Как и в случае с Сг это может быть следствием коллинеарного приближения и основное состояние, по-видимому, будет неколлинеарным. Следовательно, исследование неколлинеарной структуры и ее зависимости от внешних параметров чрезвычайно важно для понимания магнетизма таких систем. Отметим, однако, что наши расчеты показывают, что даже в неколлинеарной модели во внешнем магнитном поле существуют метастабильные магнитные состояния и переходы между этими состояниями могут быть вызваны изменением магнитного поля [37,38].

Неколлинеарное упорядочение в магнитных кластерах, адсорбированных на проводящей поверхности, заслуживает особого внимания в связи с обнаружением методами туннельной спектроскопии в этих системах Кондо-резонансов. С помощью сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) возможно получить изображение отдельного атома и затем изучать Кондо резонанс, измеряя вольт-амперные характеристики [44,45]. Одновременный учет неколлинеарности и многочастичных корреляций [46] представляет собой сложную и до сих пор до конца не решенную задачу.

Низкотемпературное поведение магнитных кластеров исследуют на основе метода модельных гамильтонианов. Хотя попытки найти следы Кондо-резонанса предпринимались при расчете методом локального функционала плотности (ЛФП) [47], они не могут воспроизвести правильное основное состояние даже для уединенной примеси. Проблема расчетов методом ЛФП заключается в том, что многочастичные эффекты не учитываются точно и, таким образом, такие расчеты, обычно не воспроизводят поведение, которое естественно возникает в модельных подходах, в частности эффект Кондо. Только последнее время появились попытки включить сильные корреляции в расчеты из первых принципов в рамках динамической теории среднего поля.

48]. Использование модельных гамильтонианов с учетом корреляций, ответственных за низкотемпературное поведение, оказывается, таким образом, очень полезным. Уйсаг и др.

49] показали, что низкотемпературные СТМ данные [44] для изолированной примеси Со на поверхности Аи могут быть воспроизведены теоретически с помощью модели Андерсона, где корреляции введены «руками» через Кондо-резонанс на уровне Ферми для плотности состояний на атоме Со.

Поведение Кондо резонанса в случае треугольного кластера с неколлинеарным упорядочением магнитных моментов необычно. Экспериментальные исследования показали, что компактный тример Сгз может находиться в двух различных типа состояниях. В первом состоянии СТМ-спектры не содержат никаких особенностей, тогда как во втором на уровне Ферми наблюдается узкий резонанс, соответствующий температуре Кондо Тк~ 50 К. Это значение сильно превосходит Тк для одиночного атома Сг на поверхности, которое определенно ниже 6 К [45]. Теоретическое объяснение этого огромного увеличения Тк было предложено в работе в рамках вариационного подхода в методе модельных гамильтонианов [50].

Изучение малых кластеров на поверхности может открыть новое направление в физике сильно коррелированных систем [46]. До сих пор было невозможно менять свойства магнитной примеси и ее взаимодействия с металлом матрицы. Другими словами даже СТМ техника не позволяла преобразовать один вид магнитных примесей в другой с иными характеристиками [45]. Однако, для малых кластеров, как тример на поверхности, даже слабое изменение межатомных расстояний или внешних условий может привести к вращению отдельных моментов и, следовательно, к качественно отличному низкотемпературному поведению. Это позволит изменять многочастичное основное состояние малых магнитных кластеров. Разумеется, расчеты низкотемпературных свойств сильно коррелированных систем типа магнитных тримеров на поверхности представляет собой очень сложную задачу, которая не может быть решена точно. Поэтому очень важна тесная связь теоретических и экспериментальных исследований. Изучение магнитных свойств на минимально возможном в физике конденсированного состояния масштабе действительно является проблемой, имеющей большое фундаментальное и прикладное значение. Такие исследования могут служить основой для создания новых квантовых устройств беспрецедентно малых размеров [51].

Целью работы является развитие теоретического подхода к описанию электронной и магнитной структуры металлических поверхностей, интерфейсов, кластеров на проводящей поверхности и других низкоразмерных систем. Теория строится в рамках метода модельных гамильтонианов для коллективизированных электронов. Разработанные быстрые алгоритмы самосогласованных расчетов, использующие аналитические преобразования вместо численного интегрирования, обеспечивают скорость согласования на порядок более высокую, чем в стандартной методике. Это позволяет проводить расчеты сложных пространственно-неоднородных систем с неколлинеарным упорядочением и расчеты систем во внешнем магнитном поле.

В первой главе на основе гамильтониана периодической модели Андерсона развита теория для описания магнитной структуры пространственно-неоднородных металлических систем. Используется метод функций Грина в конфигурационном пространстве. Решение уравнений для функций Грина проводится методом рекурсий. Полюса функции Грина ¿-/-электронов определяются численно, а затем для плотности состояний и чисел заполнения электронных состояний выводятся аналитические выражения. Разработана процедура самосогласования. Исследована зависимость магнитных свойств от параметров гамильтониана. На основе проведенных расчетов выбраны параметры, соответствующие конкретным Зс1-металлам.

Во второй главе для ферромагнитного железа и антиферромагнитного хрома проведены расчеты магнитных моментов вблизи поверхностей и интерфейсов при их различной ориентации относительно кристаллографических осей. Зависимости модуля намагниченности от расстояния до поверхности для обоих металлов оказались идентичными, хотя плотность состояний и сам тип их магнитного упорядочения различны. Данные расчета позволяют объяснить результаты мессбауэровских экспериментов на многослойных системах Сг/8п и Ре/Сг/Бп.

В третьей главе разработанный подход использован для расчета неколлинеарных систем. Метод рекурсий обобщен для определения недиагональных по спиновой переменной матричных элементов функции Грина. Проведены расчеты кластеров Бе, Сг и Мп на проводящей поверхности и показано, что для большинства кластеров в форме тримера характерно неколлинеарное упорядочение.

В четвертой главе рассмотрен вопрос о влиянии пространственной структуры интерфейса в многослойных металлических пленках на форму спектра зеркального рассеяния рентгеновского излучения. Рассмотрено два типа структурных дефектов на интерфейсе — ступеньки, приводящие к переменной толщине слоев, и перемешивание атомов разных металлов в процессе эпитаксиального роста. Показано, что эти механизмы по-разному проявляются в спектрах зеркального рассеяния. Вследствие перемешивания заметно снижаются высоты брэгговских пиков, особенно высоких порядков. Шероховатости интерфейса приводят к уширению брэгговских пиков и исчезновению промежуточных пиков между ними.

В заключении кратко изложены основные выводы, полученные в работе.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые.

• Развита теория и разработаны оригинальные алгоритмы, ускоряющие процедуру самосогласованных расчетов магнитной структуры пространственно-неоднородных Зс1-систем.

• Предсказано неколлинеарное магнитное упорядочение в малых кластерах Бе, Сг, Мп на проводящей подложке, подтвержденное в дальнейшем расчетами из первых принципов.

• Построена микроскопическая модель образования сплава на интерфейсе, •учитывающая обмен атомов с атомами подложки и всплывание последних в верхние слои в процессе эпитаксиального роста, а также показано, как различные типы шероховатости интерфейсов проявляются в спектрах зеркального рассеяния рентгеновского излучения.

Практическая значимость работы определяется возможностью использовать разработанные в ходе выполнения работы программные средства для самосогласованных расчетов электронной структуры пространственно-неоднородных наносистем с неколлинеарным упорядочением магнитных моментов.

Результаты моделирования перемешивания при эпитаксиальном росте позволяют предсказывать технологические режимы выращивания слоистых наносистем с требуемой пространственной структурой и физическими свойствами.

Развитый в работе теоретический подход для описания рассеяния рентгеновского излучения на слоистой структуре с неидеальными интерфейсами может быть использован для интерпретации экспериментальных спектров рентгеновского рассеяния и, следовательно, для контроля структуры интерфейсов слоистых наносистем на основе данных рентгеновской спектроскопии. Апробация результатов работы.

Основные результаты диссертационной работы были представлены на конференциях 19th European Conference on Surface Science ECOSS-2000, Мадрид, 5−8 сентября 2000, XVII международной школы-семинара «Новые материалы для микроэлектроники», г. Москва, 20−23 июня 2000; Euro-Asian symposium «Trends in Magnetism» (EASTMAG-2001), Ekaterinburg, Russia February 27 — March 2, 2001: International conference «Functional materials» (ICFM-2001) Ukraina, Krimea, Partenit, October 1−5, 2001; XII международном симпозиуме «Нанофизика и наноэлектроника», Нижний Новгород, 10−14 марта 2008;

И содержатся в следующих публикациях:

1. S. Uzdin, V. Uzdin, С. Demangeat, Magnetic trimer on non-magnetic substrate: from frustration towads non-collinearity. — Europhys.Lett., 47 (1999) 556−561.

2. S. Uzdin, V. Uzdin, C. Demangeat, Non-collinear structure of Cr trimer on the surface of non-magnetic metals. — Сотр. Mat. Sci. 17 (2000) 441−444 .

3. В. М. Уздин, C.B. Уздин, M.B. Молчанова, Роль дефектов в формировании структуры магнитных наносившем. — Сборник трудов XVII международной школы-семинара «Новые материалы для микроэлектроники», 20−23 июня 2000, г. Москва, ВС-5, стр. 528−530.

4. S. Uzdin, V. Uzdin, С. Demangeat, Non-collinear magnetism of 3d-clusters supported on the metal surface. — Abstracts of 19th European Conference on Surface Science Madrid, Spain, September 5 — 8, 2000.

5. S. Uzdin, V. Uzdin, C. Demangeat, Non-collinear magnetism of Cr, Mn and Fe trimers supported on the non-magnetic metal surface. — Surf.Sci., 482−485 (2001) 965−969.

6. S. Uzdin, V. Uzdin, C. Demangeat, N. Yartseva, Reduced dimensionality and non-collinear magnetism. — Abstract book of Euro-Asian symposium «Trends in Magnetism» (EASTMAG-2001), Ekaterinburg, Russia February 27 — March 2, 2001, p. 185.

7. S. Uzdin, V. Uzdin, C. Demangeat, N. Yartseva, Reduced dimensionality and noncollinear magnetism, Phys. Met. Metallograph, 92, Suppl. 1 (2001) 259−262.

8. V. Uzdin, S. Uzdin, M. Moltchanova, C. Demangeat, Non-collinear magnetism and density of states for supported Sd-clusters on the metallic surface. — Abstracts of International conference «Functional materials» (ICFM-2001) Ukraina, Krimea, Partenit, October 1−5, 2001, p. 190.

9. В. П. Романов, C.B. Уздин, В. М. Уздин, C.B. Ульянов, «Структура интерфейсов многослойных систем в спектрах зеркального рассеяния рентгеновского излучения», ФТТ, Т. 48, № 1, с. 144−151 (2006).

10. С. В. Уздин «Магнитная структура поверхностей и интерфейсов во внешнем магнитном поле», Тезисы докладов XXXII Международной зимней школы физиков теоретиков, Коуровка 2008, с. 159.

11. С.В. Уздин^ «Магнетизм поверхностей и интерфейсов Зd-мemaллoвУ>, Труды XII международного симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника», Нижний Новгород, 10−14 марта 2008, Т. 2 с. 285−286.

12. С. В. Уздин, «Красчету магнитной структуры поверхностей, приповерхностных слоев и интерфейсов 3d-Memajuioe», ФТТ, Т. 51, № 6, с. 1188−1197 (2009).

Основные положения выносимые, на защиту:

1. Магнитная структура пространственно-неоднородных металлических наносистем может быть адекватно описана в рамках метода модельных гамильтонианов для коллективизированных электронов. Быстрые алгоритмы расчета, использующие аналитический подход вместо численного интегрирования в процессе самосогласования существенно увеличивают возможности метода.

2. Рассчитанные зависимости модуля магнитного момента от расстояния до поверхности идентичны для ферромагнитного железа и антферромагнитного хрома при различной ориентации поверхностей металлов относительно кристаллографических осей. Результаты расчета поверхностей Fe, Cr и интерфейсов Fe/Cr позволяют объяснить результаты мессбауэровских экспериментов на многослойных системах Cr/Sn и Fe/Cr/Sn.

3. Магнитные фрустрации в 3<1-кластерах на проводящей поверхности приводят к возникновению неколлинеарного магнитного упорядочения, а иногда и к формированию нескольких метастабильных состояний, переход между которыми может быть стимулирован внешним магнитным полем.

4. Предложенный сценарий перемешивания в процессе эпитаксиального роста описывает асимметрию интерфейсов многослойных систем, наблюдаемую экспериментально, и дает естественное объяснение мессбауэровским экспериментам с пробными слоями 57Fe и II9Sn.

5. Пространственная структура интерфейсов в многослойных металлических системах влияет на форму спектра зеркального рассеяния рентгеновского излучения. Вследствие перемешивания на интерфейсе заметно снижаются высоты брэгговских пиков. Шероховатость интерфейсов приводит к уширению брэгговских пиков и исчезновению промежуточных пиков между ними.

Заключение

.

В работе изложен подход к описанию магнитоупорядоченных пространственно-неоднородных структур на основе метода рекурсий в рамках модельных гамильтонианов Андерсона-Хаббарда при учете кулоновского отталкивания электронов на узле в приближении среднего поля. На основе этого подхода реализована программа для самосогласованных численных расчетов электронной и магнитной структур металлических наносистем. В программе используется оригинальный подход, позволяющий получить аналитические выражения для чисел заполнения электронных состояний отличающийся от стандартного подхода, предполагающего численное интегрирование плотности состояний d-электронов. Это существенно (в десятки раз) ускоряет характерное время расчетов. Программа позволяет.

• Проводить расчеты электронной и магнитной структуры металлических систем с разными типами кристаллической решетки при ферро, антиферро и ферримагнитном упорядочении магнитных моментов.

• Рассчитывать распределение магнитных моментов вблизи поверхности образца при различной ориентации поверхности относительно кристаллографических осей.

• Рассчитывать магнитную структуру металлических интерфейсов различной ориентации.

• Проводить расчеты неколлинеарного магнитного упорядочения в кластерах на поверхности проводника и в многослойных магнитных системах.

Возможности подхода продемонстрированы на примере расчетов поверхностей ФМ железа, АФ хрома и интерфейсов Fe/Cr по-разному ориентированных относительно кристаллографических осей, расчетах неколлинеарного упорядочения магнитных тримеров на проводящей поверхности и ряда других низкоразмерных магнитных систем.

Разработанный метод расчета может быть использован при интерпретации широкого класса экспериментальных методов исследования и контроля магнитных наносистем. Среди них рассеяние рентгеновского и синхротронного излучения, поляризованных нейтронов, мессбауэровская спектроскопия. При этом рассчитанные магнитные моменты необходимо усреднить, перейдя от микроскопических локальных магнитных моментов и локальной электронной плотности к макроскопическим коэффициентам преломления рентгеновских лучей или нейтронов. Появляется возможность учесть шероховатость интерфейсов и поверхностей, эффекты перемешивания, важные для магнитных и транспортных свойств наносистем, используемых в электронных устройствах.

Расчеты конкретных систем, выполненные в работе, важны для понимания процессов формирования магнитного упорядочения в пространственно-неоднородных наносистемах. В частности, впервые показано, что модуль магнитного момента вблизи поверхностей ФМ железа и АФ хрома разной ориентации меняются одинаково. Расчеты магнитной структуры вблизи поверхностей Fe, Cr и интерфейсов Fe/Cr позволили объяснить мессбауэровские спектры сверхрешеток Cr/Sn и Fe/Cr/Sn с разной ориентацией интерфейсов. На основе микроскопических расчетов первые показано, что малые Зс1-кластеры на проводящей поверхности часто демонстрируют неколлинеарное магнитное упорядочение вследствие конкуренции обменных взаимодействий между разными атомами. Этот вывод был недавно подтвержден в целом ряде расчетов, выполненных из первых принципов.

Предложенная модель перемешивания в процессе эпитаксиального роста позволила дать естественное объяснение ряду мессбауэровских экспериментов с пробными слоями 57Fe и 119Sn. Показано, как перемешивание на интерфейсах и неоднородность многослойной системы по толщине проявляется в спектрах рентгеновского рассеяния. Таким образом, выполненные исследования могут быть использованы для контроля качества интерфейсов в слоистых наносистемах.