Теоретическое исследование атомной структуры и квантовых свойств металлических наноконтактов и нанопроводов

Среди перспективных и инновационных технологий 21 века ведущее место занимают наноэлектроника и её подраздел — спинтроника, в которой наряду с зарядом частиц для физического представления данных используется спин частиц, что позволяет во много раз увеличить плотность записи и передачи информации. Особый интерес представляют одномерные структуры — наноконтакты (НК) и нанопровода (НП), на основе которых возможно формирование высокоэффективных наносхем с малыми размерами и низким потреблением электроэнергии. Большое внимание уделяется исследованиям металлических НК и НП [1−4], которые могут быть получены даже при комнатных температурах. Переломным моментом в исследовании одномерных структур стало обнаружение в них уникальных физических свойств, таких как низкоразмерный магнетизм, гигантская магнитная анизотропия, баллистическая квантовая проводимость, баллистическое магнетосопротивление, которые могут быть использованы в устройствах наноэлектроники. Металлические нанопровода и наноконтакты, обладающие магнитными свойствами, могут быть использованы как устройства спинтроники как своеобразные спиновые фильтры, пропускающие электроны преимущественно одной спиновой поляризации, так как ток в них может быть спин-поляризованным. Активное исследование спин-поляризованного электронного транспорта началось с экспериментального открытия в 2002 году баллистического магнетосопротивления в наноконтактах [6], которое представляет собой взаимосвязь между магнитными и транспортными свойствами наноструктур. Открытие баллистического магнетосопротивления привело к активному изучению возможностей управления спином атомов в наноконтактах и нанопроводах и как следствие их транспортными и магнитными свойствами. Так как многие стабильные при комнатных температурах проводящие наноконтакты являются немагнитными, и следовательно, непригодными для применения в устройствах спинтроники, возникает новая область исследований — изучение магнитных и транспортных свойств смешанных наноконтактов и нанопроводов. На сегодняшний день уже возможно создание таких структур. Первой успешной экспериментальной работой по формированию одномерных смешанных наноконтактов стала работа Беттини и др. [7], в которой они получили стабильные при комнатной температуре Аи-Ад наноконтакты. Для спинтроники наиболее интересным представляется исследование свойств смешанных НК и НП из атомов переходных и благородных металлов (Аи, Р1 и др.), обладающих низкой реакционной способностью, и атомов магнитных элементов (Со, Ре, М и др.). В результате получившиеся структуры могут обладать уникальными физическими свойствами, такими как гигантская магнитная анизотропия, баллистическое магнетосопротивление, при этом обладая высокой структурной устойчивостью к внешним воздействиям различной природы. Однако, в процессе формирования наноконтактов и нанопроводов в их структуру могут встраиваться примесные атомы и молекулы, от которых практически невозможно избавиться даже при проведении экспериментов в условиях ультра высокого вакуума. Взаимодействие с примесями может значительно изменять геометрию и атомную структуру наноконтактов и нанопроводов, что впоследствии приводит к значительному изменению их механических и квантовых свойств [3,5]. В связи с этим изучение взаимодействия НК и НП с примесями различной природы является одной из важных задач в физике низкоразмерных систем. Изучение свойств наноконтактов необходимо не только для фундаментальной физики, но и для практического применения. На сегодняшний день уже опубликован ряд научных работ, в которых сообщается о создании и исследовании свойств первых низкоразмерных устройств наноэлектроники и спинтроники на основе одномерных наноконтактов и нанопроводов. В связи с тем, что экспериментальное получение и исследование одномерных структур на сегодняшний день сопряжено с большими затратами и является трудоемким и ресурсоемким процессом, важным становится теоретическое исследование процессов и особенностей формирования наноконтактов и нанопроводов, а также изучение их физических свойств.

Цели и задачи диссертационной работы.

Основной целью данной работы является комплексное исследование атомной и электронной структуры, магнитных и механических свойств металлических одномерных наноструктур — наноконтактов и нанопроводов с использованием первопринципных методов вычислений. Проводится установление основных особенностей атомной и электронной структуры наноконтактов и нанопроводов при их формировании и росте с образованием устойчивой химической связи, особенностей изменения их свойств в зависимости от геометрии и химического (элементного) состава структуры с учетом приложенных напряжений (растяжений или сжатий), наличия дефектов, включая примеси различной природы. Основное внимание уделено исследованию чистых (однокомпонентных) и смешанных (многокомпонентных) металлических наноконтактов и нанопроводов, образованных из одного или нескольких благородных или переходных Зй-5(1 металлов.

В соответствии с заявленной целью были поставлены следующие задачи:

1. Исследовать особенности межатомного взаимодействия металлических НК и НП на основе ряда Зс1−5с1 металлов (М-Гс, Со, Рс1, Аи, и др.), состоящих из одного или нескольких элементов, установить роль каждого элемента в структуре смешанного металлического НК или НП;

2. Установить основные факторы электронного взаимодействия ответственные за образование устойчивой химической связи внутри НК или НП в зависимости от их химического (элементного) состава, геометрии структуры;

3. Исследовать атомную структуру и геометрию однои двухкомпонентных наноконтактов и нанопроводов;

4. Выявить характерные изменения атомной и электронной структуры, структурной устойчивости смешанных и однокомпонентных НК и НП в присутствии примесных атомов и молекул или при приложении деформации «сжатия-растяжения»;

5. Изучить магнитные свойства НК и НП, их зависимость от атомной структуры, химического (элементного) состава, приложенных деформаций;

6. Изучить влияние магнитных примесей и примесей легких газов (водород) на стабильность, спиновую поляризацию и квантовые транспортные свойства металлических НК и НП;

7. Исследовать анизотропию магнитных свойств однокомпонентных и смешанных нанопроводов, установить основные механизмы, приводящие к появлению в них «гигантской магнитной анизотропии».

Научная новизна работы.

В работе впервые проведены комплексные исследования на основе расчетов из первых принципов атомной структуры и квантовых свойств металлических однокомпонентных и смешанных НК и НП, изучено влияние примесей на их атомную структуру и магнитные свойства, получены следующие новые результаты:

1. Показано, что немагнитный в кристаллическом массиве палладий в одномерных структурах (НК и НП) приобретает магнитные свойства, которые в сильной степени зависят от их геометрии;

2. Установлено, что в присутствии примесей водорода палладиевые наноконтакты и нанопровода теряют свои магнитные свойства;

3. Показано, что атомы и молекулы водорода стабилизируют палладиевый наноконтакт при больших межатомных расстояниях близких к моменту его разрыва, а также увеличивают его прочность;

4. Обнаружен переход из ферромагнитного в антиферромагнитное состояние в равномерно смешанных Рс1-Ре нанопроводах при наложении деформаций «растяжения-сжатия «;

5. Проведено исследование смешанных металлических панопроводов на примере системы Со/Аи и показано, что стабильные смешанные Аи-Со нанопровода формируются только при условии равномерного чередования атомов Ли и Со в проводе;

6. Впервые обнаружена «гигантская магнитная анизотропия» (—140 мэВ) в равномерно смешанных Аи-Со нанопроводах и зависимость анизотропных магнитных свойств от геометрии провода.

Достоверность представленных в диссертационной работе результатов подтверждается проверочными численными экспериментами, а также соответствием результатов экспериментальным данным и теоретическим расчетам.

Практическая ценность.

Результаты теоретических исследований свойств атомной и электронной структуры, магнитных и транспортных свойств металлических наноконтактов и нанопроводов, образующихся между электродами, проведенных в работе и установленные механизмы их формирования и роста в зависимости от геометрии и химического состава структуры будут способствовать разработке новых материалов с потенциально важными магнитными, электронными и механическими свойствами. В частности в создании:

1. прочных одномерных структур, обладающих необычными управляемыми магнитными свойствами на основе смешанных нанопроводов из атомов благородных и переходных металлов и ферромагнитных элементов;

2. Аи-Со нанопроводов с равномерным чередованием атомов золота и кобальта, обладающих высокой стабильностью и устойчивостью к деформациям «растяжения-сжатия»;

3. Аи/Со структур (НК и НП) обладающих гигантской магнитной анизотропией с значениями энергии магнитной анизотропии ~140мэВ и состоящих при этом из нескольких атомов;

4. прочных Рс1-Ре нанопроводов с управляемыми магнитными свойствами, связанными с переходом из ферромагнитного состояния в антиферромагнитное при растяжении или сжатии провода.

Положения, выносимые на защиту:

1. Возникновение магнитных свойств палладия при переходе от кристаллического массива к структуре нанопроводов и наноконтактов обусловлено изменением межатомного взаимодействия и электронной структуры. Магнитные свойства палладиевых наноконтактов зависят от их атомной структуры и геометрии.

2. Взаимодействие с атомами и молекулами водорода приводит к стабилизации палладиевых наноконтактов при больших межатомных расстояниях близких к моменту начала разрыва идеального палладиевого наноконтакта.

3. Формирование проводящих «водородных мостиков» возможно только в растянутых палладиевых наноконтактах.

4. Исчезновение магнитных свойств у палладиевых наноконтактов и нанопроводов связано с взаимодействием с примесными атомами и молекулами водорода.

5. Образование прочных магнитных одномерных структур с управляемыми магнитными свойствами возможно в результате смешения в проводе атомов переходных (Рс1) и благородных (Аи) металлов с атомами ферромагнитных (Со, Ре) элементов.

6. В смешанных Рс1-Ре нанопроводах деформации «растяжения-сжатия» приводят к изменению обменного взаимодействия в структуре провода, которое сопровождается переходом из ферромагнитного состояния в антиферромагнитное.

7. «Гигантская магнитная анизотропия» обусловлена сильным межатомным взаимодействием в смешанных Au-Co нанопроводах со значениями энергии магнитной анизотропии (МАЭ) ~140мэВ.

Апробация работы.

Вошедшие в диссертацию материалы докладывались и обсуждались на VI национальной конференции «РСНЭ НАНО», (Москва (Россия), 12−17 Ноября 2007), на XIV (Москва, Россия, 8−12 Апреля 2007), XV (Москва, Россия, 8−12 Апреля 2008), XVI (Москва, Россия, 8−12 Апреля 2009) и XVII (Москва, Россия, 8−12 Апреля 2010) Международных конференциях студентов, аспирантов и молодых учёных по фундаментальным наукам «Ломоносов», на международном симпозиуме Moscow international symposium of magnetism «MISM-2008», (Moscow (Russian Federation), 20−25 June 2008), на VII национальной конференции «Рентгеновское, Синхротронное излучения, Нейтроны и Электроны для исследования наносистем и материалов Нано-Био-Инфо-Когнитивные технологии РСНЭ-НБИК-2009» (Москва (Россия) 16−21 Ноября 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 European Conference on Surface Science (ECOSS-27), (Groningen (Netherlands), 29 August- 3 September, 2010).

Результаты исследований обсуждались на научных семинарах кафедры общей физики физического факультета МГУ.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ-02−1 274-а и гранта Фонда Д. Зимина «Династия».

Публикации.

По результатам исследований, представленных в диссертации, опубликовано 15 научных работ, список которых приведен в конце автореферата, в том числе 3 статьи и 1 в печати в реферируемых журналах из списка предложенного ВАК.

Личный вклад автора.

Все изложенные в диссертационной работе оригинальные результаты получены автором лично, либо при его непосредственном участии.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из общего вводного раздела, трех глав и заключения. Во Введении обоснована актуальность исследуемой проблемы, описано краткое содержание работы по главам:

В первой главе представлен обзор экспериментальных и теоретических работ по тематике представленной работы. Изложено современное состояние исследования квантовых свойств одномерных структур.

Во второй главе представлена модель и метод исследования.

В третьей главе изложены основные результаты и их обсуждение.

В конце работы заключение и основные выводы.

Список цитируемой литературы включает 124 наименования, общий объем работы составляет 137 страниц текста, включая 60 рисунков и 4 таблицы.

В диссертации принята сквозная нумерация формул и рисунков. Обращение к формулам осуществляется в виде (2), что означает нахождение данной формулы в работе под номером 2. Аналогично производится нумерация рисунков.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Теоретически исследованы структурные и электронные свойства наноконтактов Рс1 между двумя (001) поверхностями палладиевых электродов. Зафиксировано возникновение магнитных свойств у палладиевых наноконтактов и нанопроводов, обусловленное хс! электронной гибридизацией. Получена зависимость величины магнитного момента от расстояния между электродами и от геометрии наноконтакта.

2. Установлено, что при сжатии электродов Рс1 наноконтакт переходит из линейной конфигурации в конфигурацию «зиг-заг» с потерей магнитных свойств.

3. Изучено взаимодействие примесного атомарного и молекулярного водорода с палладиевыми наноконтактами. Установлено, что адсорбция атомов и молекул водорода в цепь наноконтакта приводит к увеличению удельной энергии связи между атомами палладия, и как следствие — к повышению его устойчивости к деформациям «растяжения-сжатия». Обнаружена диссоциация молекулы водорода на цепи наноконтакта палладия, обусловленная сильным взаимодействием и ?/- орбиталей палладия и лорбиталей атомов водорода.

4. Показано, что встраивание атомов и молекул водорода в цепь контакта приводит к его стабилизации на больших межатомных расстояниях, близких к моменту разрыва наноконтакта в вакууме. Объяснено явление стабилизации наноконтактов в водородной атмосфере, обнаруженное в ряде экспериментальных работ.

5. Показано, что наличие примесных атомов и молекул водорода в палладиевых наноконтактах приводит к потере их магнитных свойств.

6. Изучено смешение атомов благородных и переходных металлов с атомами ферромагнитных элементов в нанопроводах и наноконтактах. Установлено, что смешение приводит к образованию прочных одномерных наноструктур, обладающих магнитными свойствами.

7. Впервые обнаружено изменение магнитного упорядочения в смешанных Рс1-Ре нанопроводах под действием деформаций. Показано, что при растяжении или сжатии Рс1-Ре провод переходит из ферромагнитного в антиферромагнитное состояние.

8. Проведено исследование свойств атомной и электронной структуры равномерно и неравномерно смешанных Аи-Со нанопроводов. Обнаружено образование димеров С02 в проводе, приводящее к раннему разрыву провода между атомами золота при его растяжении. Впервые установлено, что растянутые Аи-Со нанопровода формируются только при условии равномерного чередования в них атомов золота и кобальта.

9. Показано, что смешение Аи и Со в нанопроводах приводит к появлению в них «гигантской магнитной анизотропии» со значениями энергии магнитной анизотропии ~140мэВ, сравнимой с экспериментально установленными значениями для слоистых структур и тонких пленок.

БЛАГОДАРНОСТИ.

В первую очередь я бы хотела поблагодарить своих научных руководителей, Салецкого Александра Михайловича и Бажанова Дмитрия Игоревича за неоценимую помощь в осуществлении моей научной деятельности, за грамотное руководство и поддержку. Я хотела бы искренне поблагодарить доцента кафедры общей физики Миронову Галину Александровну за помощь в написании диссертации, в осуществлении моей научной деятельности, за ценные советы и рекомендации, которые она давала мне во время обучения на кафедре и подготовки моей научной работы. В процессе моей работы над диссертацией важную роль сыграла благоприятная атмосфера, созданная и поддерживаемая коллективом нашей лаборатории, в который входят ассистенты Клавсюк Андрей Леонидович, Колесников Сергей Владимирович, младший научный сотрудник кафедры Степанюк Олег Валериевич и моя сестра вед. инженер кафедры общей физики Смелова Екатерина Михайловна. Все они помогали ценными советами, участвовали в обсуждении результатов и оказывали поддержку при решении возникающих проблем.

Отедельная благодарность моей сестре вед. инженеру кафедры общей физики Смеловой Екатерине Михайловне, которая помогала в проведении некоторых теоретических расчетов, вошедших в материалы диссертации. Большую помощь в работе при подготовке статей и в обсуждении результатов оказали сотрудники института Макса Планка Физики Микроструктур в Халле, их поддержка и отзывчивость существенно помогали в подготовке диссертации. Особо хотелось бы поблагодарить профессора института Макса Планка Степанюка Валерия Станиславовича, за постоянную поддержку и консультации во время работы над диссертацией.

В заключение я бы хотела поблагодарить всех сотрудников кафедры общей физики физического факультета за поддержку и отзывчивость как в научных, так и в повседневных проблемах.