Ксения михайловна теоретическое исследование атомной структуры и квантовых свойств металлических наноконтактов и нанопроводов

На правах рукописи

УДК 538.9 ЦЫСАРЬ Ксения Михайловна ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ АТОМНОЙ СТРУКТУРЫ И КВАНТОВЫХ СВОЙСТВ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ НАНОКОНТАКТОВ И НАНОПРОВОДОВ Специальности: 01.04.07 - физика конденсированного состояния 01.04.11 - физика магнитных явлений

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА – 2011

Работа выполнена на кафедре общей физики физического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова.

Научные руководители: доктор физико-математических наук, профессор Салецкий Александр Михайлович кандидат физико-математических наук, Бажанов Дмитрий Игоревич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Бушуев Владимир Алексеевич кандидат физико-математических наук, Книжник Андрей Александрович

Ведущая организация: Центр фотохимии РАН

Защита диссертации состоится “15” июня 2011 года в 15.30 на заседании Диссертационного Совета Д.501.002.01 по специальностям "Физика конденсированного состояния" и “Физика магнитных явлений” при Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова по адресу:

119991, ГСП-1, Москва, Ленинские горы, МГУ, физический факультет, южная физическая аудитория.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова.

Автореферат разослан “ ” мая 2011 года.

Ученый секретарь Диссертационного Совета Д.501.002. кандидат физико-математических наук, Т.В. Лаптинская

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы 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 [12-3], 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 [4], 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. [5], в которой они получили стабильные при комнатной температуре Au-Ag наноконтакты. Для спинтроники наиболее интересным представляется исследование свойств смешанных НК и НП из атомов переходных и благородных металлов (Au, Pt и др.), обладающих низкой реакционной способностью, и атомов магнитных элементов (Сo, Fe, Ni 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 [6,7]. 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 [2,3]. 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, 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, с учетом приложенных напряжений (растяжений или сжатий), наличия дефектов, включая примеси различной природы.

В соответствии с заявленной целью были поставлены следующие задачи:

Исследовать особенности межатомного взаимодействия металлических 1.

НК и НП на основе ряда 3d-5d металлов (M=Fe, Co, Pd, Au, и др.), состоящих из одного или нескольких элементов, установить роль каждого элемента в структуре смешанного металлического НК или НП;

Установить основные факторы электронного взаимодействия 2.

ответственные за образование устойчивой химической связи внутри НК или НП в зависимости от их химического (элементного) состава, геометрии структуры;

Исследовать атомную структуру и геометрию одно- и двухкомпонентных 3.

(смешанных) наноконтактов и нанопроводов;

Выявить характерные изменения атомной и электронной структуры, 4.

структурной устойчивости смешанных и однокомпонентных НК и НП в присутствии примесных атомов и молекул или при приложении деформации «сжатия-растяжения»;

Изучить магнитные свойства НК и НП, их зависимость от атомной 5.

структуры, химического состава, приложенных (элементного) деформаций;

Изучить влияние магнитных примесей и примесей легких газов (водород) 6.

на стабильность, спиновую поляризацию и квантовые транспортные свойства металлических НК и НП;

Исследовать анизотропию магнитных свойств однокомпонентных и 7.

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 Pd-Fe нанопроводах при наложении деформаций «растяжения-сжатия»;

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

6. Впервые обнаружена «гигантская магнитная анизотропия» (~140 мэВ) в равномерно смешанных Au-Co 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 иссследований свойств атомной и электронной структуры, магнитных и транспортных свойств металлических наноконтактов и нанопроводов, образующихся между электродами, проведенных в работе и установленнные 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 при создании:

• прочных одномерных структур, обладающих необычными управляемыми магнитными свойствами на основе смешанных нанопроводов из атомов благородных (Au) и переходных (Pd) металлов и ферромагнитных элементов (Fe,Co);

• Au-Co нанопроводов с равномерным чередованием атомов золота и кобальта, обладающих высокой стабильностью и устойчивостью к деформациям «растяжения-сжатия»;

• Au-Co одномерных наноструктур (НК и НП) обладающих гигантской магнитной анизотропией с значениями энергии магнитной анизотропии ~140мэВ и состоящих при этом из нескольких атомов;

• прочных Pd-Fe нанопроводов с равномерным чередованием атомов Fe и Pd в них с управляемыми магнитными свойствами, связанными с переходом из ферромагнитного состояния в антиферромагнитное при растяжении 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 (Pd) и благородных (Au) металлов с атомами ферромагнитных (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 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- 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- 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- September, 2010).

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

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ-02-01274-а и гранта Фонда Д. Зимина «Династия».

Публикации По результатам исследований, представленных в диссертации, опубликовано 14 научных работ, список которых приведен в конце автореферата, в том числе 3 статьи в реферируемых журналах из списка, предложенного ВАК.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из общего вводного раздела, трех глав и заключения.

В первой главе проводится обзор современного состояний исследований в области физики одномерных структур и сравнение полученных в работе результатов с мировым уровнем. Вторая глава посвящена описанию методики вычислений и модели исследований. В третьей главе представлены все полученные результаты. Список цитируемой литературы включает наименования, общий объем работы составляет 137 страниц текста, включая рисунков и 4 таблицы.

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

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во Введении обоснована актуальность исследуемой проблемы, описано краткое содержание работы по главам.

В Первой главе проведено сопоставление полученных в диссертационной работе результатов с мировым уровнем исследований в области физики одномерных структур, сформулированы цели и задачи работы.

Во Второй главе описан метод теоретического исследования квантовых свойств одномерных структур, используемый в работе, а также описана модель и основные параметры вычислений. Исследование было проведено методом первопринципной молекулярной динамики на основе теории функционала электронной плотности. Самосогласованные расчеты из первых принципов являются очень сильным и точным инструментом в решении задачи определения физико-химических свойств наноструктур. Главное достоинство первопринципных методов исследования заключается в использовании фундаментальных знаний, выраженных в строгой математической формулировке без использования различных подгоночных переменных и параметров. По этой причине результаты таких исследований обладают высокой точностью и достоверностью. Для вычислений была использована программа VASP, итерационно решающая самосогласованную систему уравнений Кона-Шэма в базисе плоских волн [8]. В вычислениях использовались приближения локальной плотности (ЛП) и обобщенного градиента (ОГ) для потенциала обменно-корелляционного взаимодействия.

В Третьей главе приводятся основные результаты работы и проводится их обсуждение.

В работе проведены теоретические расчеты свойств атомной и электронной структуры Pd наноконтактов методом первопринципной молекулярной динамики, которые моделировались в соответствии с экспериментальной работой Матсуды и Кизуки [1] как трехатомная цепочка палладиевых атомов между двумя Pd электродами (001) (Рис.1). В результате Рис. 1. Модель Pd наноконтакта между палладиевыми электродами.

расчетов было установлено неоднородное распределение длин связи в наноконтакте при релаксации и переход палладиевого НК из линейной конфигурации в конфигурацию «зиг-заг» при сжатии электродов. В результате проведенных расчетов зафиксировано появление локальных магнитных моментов у атомов палладия между двумя палладиевыми электродами: ~0.20µ B Рис. 2. Зависимости локальных магнитных моментов от расстояния между электродами палладиевого НК для: центрального атома цепи контакта Pd2 (ОГ приближение) (1), крайних атомов Pd1 и Pd3 (ОГ приближение) (2), центрального атома цепи контакта Pd2 (ЛП приближение) (3).

для крайних атомов Pd1 и Pd3 и ~0.35µ B для центрального атома Pd2 в рамках ОГ приближения и ~0.28µ B в рамках ЛП приближения. Установлена зависимость 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 свойств обусловлено образованием s-dz2 электронной гибридизации.

В рамках первопринципного подхода проведено теоретическое исследование влияния примесей легких газов (на примере атомарного и молекулярного водорода) на атомную структуру и электронные свойства Pd НК и НП. В качестве примеси выбран водород, так как палладий имеет высокое сродство к водороду и образует с ним гидриды. Расчеты показали, что атомам и молекулам водорода энергетически выгодно встраиваться в структуру палладиевого НП и в цепь палладиевого НК в сравнении с сорбцией водорода в структуру палладиевого электрода, при этом прочность палладиевых проводов и контактов значительно увеличивается. В сжатом НК (расстояние между электродами 10) атом водорода сорбируется сбоку от цепи (см. Рис. 3а), в растянутом – непосредственно в цепь НК (Рис. 3б). В результате сорбции атомарного водорода в палладиевый НП удельная энергия связи на атом увеличивается более, чем на 0.5эВ по сравнению с идеальным палладиевым НП во всем диапазоне межатомных расстояний, соответствующих области существования НП. При сорбции атомарного водорода в структуру НК удельная энергии связи (в пересчете на атом цепи контакта) увеличивается на ~0.1эВ. Расчеты полной энергии системы показали, что сорбция молекулы в цепь контакта является энергетически выгодной, при этом энергия связи атомов Pd в цепи контакта также значительно повышается. Кроме того обнаружено, что в процессе сорбции молекулы водорода происходит её диссоциация, зависящая от положения молекулы в цепи НК. Показано, что образование проводящих «водородных мостиков» возможно только в сильно растянутых Pd НК с расстоянием между электродами близким к моменту разрыва контакта. В случае сжатия Pd НК молекула водорода сорбируется либо рядом с цепью контакта, либо диссоциирует на нем. В результате проведенных расчетов установлено, что при сорбции в цепь НК атомов и молекул водорода увеличивается устойчивость НК к деформациям «растяжения-сжатия», по сравнению с идеальным Pd НК, что позволяет объяснить результаты экспериментальных работ [2,3].

Исследование электронной структуры и магнитных свойств палладиевых НП и НК показало, что встраивание атомов и молекул водорода приводит к сильной перестройке электронной структуры контакта. В зонной структуре возникают гибридные зоны, образованные s- состояниями водорода и s- и d состояниями атомов палладия. В результате сильного взаимодействия атомов палладия с атомами водорода, магнитные свойства палладиевых НП и НК значительно ослабевают. При взаимодействии с молекулой водорода Pd НК полностью теряет свои магнитные свойства.

В связи с экспериментально установленным существованием стабильных низкоразмерных сплавов палладия и железа [9], в диссертационной работе было проведено исследование возможности смешения Pd и Fe в НП. Расчеты проводились на примере двух конфигураций с одинаковым компонентным составом и различным атомным строением (Рис. 4а,б): конфигурации нанопровода с равномерным чередованием атомов палладия и железа Pd0.5Fe0. (Рис. 4а) и конфигурации, моделирующей возможность агрегации атомов Pd и Fe в проводе (образования димеров Pd2 или Fe2) - Pd0.5Fe0.5*, обозначенной знаком «*» (Рис. 4б). Расчеты показали, что во всем диапазоне существования смешанных Pd-Fe НП наибольшей стабильностью обладают равномерно смешанные НП Pd0.5Fe0.5 (Рис. 4в). При межатомном расстоянии 2.4 Pd-Fe (а) (б) Fe -1. Fe Pd Pd 0. -1. Ecoh [эВ] Ecoh [эВ] 0. Fe -2. Pd Pd Fe 2. Fe Fe -2. Pd 3. -0. Pd 1 2 среднее межатомное расстояние [] (в) Рис. 4. Модель равномерно (а) и неравномерно смешанного (б) нанопровода Pd0.5Fe0.5;

(в) зависимости удельной энергии (Ecoh) связи атомов в Pd0.5Fe0.5 нанопроводе (кривая 1) и разница удельной энергии связи (Ecoh) между атомами в равномерно и неравномерно смешанных проводах (кривая 2) от среднего межатомного расстояния.

провод переходит из линейной конфигурации в конфигурацию «зиг-заг». При этом межатомное расстояние 2.4 соответствует равновесному расстоянию в линейном Pd-Fe НП, реализующему минимум полной энергии системы.

Сильное сжатие провода до межатомных расстояний 1.3 переводит его в систему из двух однокомпонентных Pd и Fe НП (Рис. 4в). Расчеты удельной энергии связи на атом показали, что равномерно смешанный Pd-Fe провод является более стабильным, чем однокомпонентные Pd и Fe НП в широком диапазоне межатомных расстояний (1.0 -3.0 ), причем удельная энергия связи атомов в 3.6 0. магнитный момент [µB] магнитный момент [µB] 0. 3. 1 0. 2. 0. 2.4 0. 1.0 1.5 2.0 2.5 3. межатомное расстояние [] (а) 0.5 0. µ [µB] E[эВ] 0.0 0. -0.5 -0. 1.0 1.5 2.0 2.5 3. межатомное расстояние [] (б) Рис. 5 а) Зависимости величины локальных магнитных моментов атомов Pd (кривая 1) и Fe (кривая 2) от межатомного расстояния;

б) зависимости разницы локальных магнитных моментов (µ) атомов Pd (кривая 1) и атомов Fe (кривая 2) в смешанном Pd0.5Fe0.5 и однокомпонентных НП Pd и Fe, соответственно, от межатомного расстояния;

кривая 3 – зависимость разности полной энергии ферромагнитного и антиферромагнитного состояния (E=EФМ-EАФМ) от межатомного расстояния для равномерно смешанного Pd0.5Fe0.5 НП.

смешанном проводе более, чем на 0.6эВ превосходит энергию связи атомов в идеальном палладиевом НП по абсолютной величине, и на 0.1эВ превосходит энергию связи атомов в одномерном железном НП. Данный результат является исключительно важным, так как показывает возможность формирования смешанных НП, стабильных даже при комнатных температурах и устойчивых к деформациям «растяжения-сжатия».

В настоящее время известно, что низкоразмерные сплавы переходных и благородных металлов с атомами ферромагнитных элементов могут проявлять уникальные магнитные свойства [10], поэтому в диссертационной работе проведено детальное исследование свойств электронной структуры и магнитных свойств наиболее стабильного равномерно смешанного Pd-Fe НП.

Установлено, что провод в Pd0.5Fe0.5 является магнитным, при этом магнитные свойства смешанного Pd-Fe НП зависят от его геометрии (Рис.5, кривые 1 и 2).

В результате проведенных расчетов в работе впервые было обнаружено, что деформации «растяжения-сжатия» вызывают переход равномерно смешанного Pd-Fe НП из ферромагнитного состояния в антиферромагнитное при межатомном расстоянии 2.4. Таким образом было показано, что линейные смешанные Pd-Fe НП становятся антиферромагнитными при растяжении (Рис 5, кривая 3). Антиферромагнитное состояние стабилизируется косвенным обменным взаимодействием между атомами железа за счет образования гибридных энергетических зон между атомами железа и палладия в проводе.

В связи с тем, что в работе было установлено появление в смешанных Pd Fe НП необычных магнитных свойств, было проведено исследование возможности смешения в одномерных проводах Au и Co. Проведен анализ свойств атомной структуры смешанных Au-Co НП, который показал, что при больших межатомных расстояниях (2.6 -3.2 ) растянутые смешанные Au-Co провода формируются при условии равномерного чередования атомов золота и кобальта в них (конфигурация Au0.5Co0.5), являясь более стабильными по сравнению с идеальным золотым НП. Удельная энергия связи Au0.5Co0.5, на 0.5 эВ выше, чем у идеального Au НП для всего диапазона существования равномерно смешанного НП Au0.5Co0. (1.6 - 3.2 ).

В результате сжатия Au-Co НП энергетически выгодной становится димеризация атомов кобальта (конфигурация Au0.5Co0.5*). Однако, неравномерно смешанный провод является нестабильным к деформациям растяжения и существует только в узком диапазоне межатомных расстояний (1.8 -2.6 ). При сильном сжатии любой смешанный провод переходит в систему двух параллельных однокомпонентных Au и Co НП, смещенных друг относительно друга.

Исследование электронной структуры смешанных Au-Co НП было проведено для нескольких конфигураций, отличающихся атомным строением и компонентным составом (Рис. 6а). Исследование показало, что Au-Co НП обладают магнитными свойствами, которые в значительной степени зависят от геометрии провода и от его компонентного состава (Рис. 6б). При уменьшении относительного количества атомов кобальта в проводе Au2/3Co1/3 нами было обнаружено увеличение значений локальных магнитных моментов у атомов кобальта до 2.5µ B (Рис. 6б, кривая 3). Было установлено, что при сжатии провода до межатомных расстояний меньших 2.4 и переходе его из линейной конфигурации в конфигурацию «зиг-заг», магнитные свойства значительно уменьшаются.

Au0.5Co0.5 Au0.5Co0.5* Au2/3Co1/3 Au1/3Co2/ (а) (б) Рис. 6. а) Конфигурации смешанных Au-Co НП;

б)Зависимости величины локальных магнитных моментов атомов кобальта от межатомного расстояния для равномерно смешанного провода Au0.5Co0.5 (кривая 1), неравномерно смешанного провода Au0.5Co0.5* (кривая 2), проводов с различным процентным содержанием атомов кобальта и золота Au2/3Co1/3 и Au1/3Co2/3 (кривые 3 и соответственно).

В результате проведенного исследования магнитных свойств равномерно смешанного Au-Co НП зафиксировано появление «гигантской магнитной анизотропии» (энергия магнитной анизотропии ~140 мэВ на атом Со в проводе) с направлением оси легкого намагничения перпендикулярной оси НП (Рис.7). В работе было установлено, что анизотропия магнитных свойств НП в сильной степени зависит от его атомной структуры и изменяется при приложении деформаций «растяжения-сжатия».

- полная энергия [эВ] метастабильное состояние - -12 2.4 2.6 2. межатомное расстояние [] Рис.7. Зависимости величины полной энергии равномерно смешанного НП Au0.5Co0.5 от среднего межатомного расстоянии без учета спин-орбитального взаимодействия E (кривая1) и с учетом спин-орбитального взаимодействия ЕII (кривая 2) и Е (кривая 3).

В работе было изучено влияние деформаций «растяжения-сжатия» на величину спинового и орбитального магнитных моментов атомов кобальта в равномерно смешанном проводе Au0.5Co0.5 для двух возможных направлений оси намагничения: вдоль (II) и поперек () оси НП. Значения спинового магнитного момента для двух направлений оси намагничения совпадают и составляют величину 2.32µ B. Расчет магнитных свойств смешанных проводов показал, что величина спинового магнитного момента практически не изменяется при сжатии или растяжении провода в диапазоне межатомных расстояний (2.5 - 2.8). При переходе НП в конфигурацию «зиг-заг» значения спинового магнитного момента резко уменьшаются (Рис. 8а). Поведение орбитального магнитного момента атомов Со сильно различается для двух направлений оси намагничения (II) и (). В случае совпадении оси намагничения с осью провода орбитальный магнитный момент (µ IIL) ведет себя аналогично спиновому (Рис. 8б). Для провода с линейной геометрией значение не изменяется при сжатии или растяжении провода в диапазоне µ IIL межатомных расстояний (2.5 - 2.8) и составляет величину ~2.0µ B. При сжатии провода до межатомных расстояний меньших 2.5 и переходе его в конфигурацию «зиг-заг» орбитальный магнитный момент начинает уменьшаться до значения 1.0µ B. В случае перпендикулярного расположения оси намагничения поведение орбитального магнитного момента сильно изменяется (Рис. 8б). В сжатом проводе значения орбитального магнитного момента (0.2µ B) практически не изменяются при его растяжении или сжатии (2.3 -2.6), по абсолютной величине они более, чем в десять раз меньше значений спинового момента (Рис. 8б). Однако, при переходе провода в конфигурацию «зиг-заг» у атомов Со появляется y-составляющая орбитального магнитного момента µ Ly, со значениями порядка ~0.6µ B. Спин-орбитальное взаимодействие приводит к увеличение полного магнитного момента атомов кобальта до 3.0µ B для случая аксиальной намагниченности провода по сравнению со значениями магнитных моментов атомов кобальта в проводе без учета спин-орбитального взаимодействия ~2.32µ B.

2.4 2. || µS || µL 2. µS z 1. µL[µB] µS [µB] метастабильное 2.2 состояние µL µL x 0. y 2.1 µL x 0. 2. 2.4 2.6 2. 2.4 2.6 2. межатомное расстояние [] межатомное расстояние [] (а) (б) Рис. 8. Зависимость величины спинового магнитного момента (µ S) (а) и орбитального магнитного момента (µ L) (б) от среднего межатомного расстояния в равномерно смешанном проводе Au0.5Co0.5 для двух направлений оси намагничения (II) и () относительно оси нанопровода.

В Заключении сформулированы основные результаты и выводы работы:

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

Установлено, что при сжатии электродов Pd наноконтакт переходит из 2.

линейной конфигурации в конфигурацию «зиг-заг» с потерей магнитных свойств.

Изучено взаимодействие примесного атомарного и молекулярного 3.

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 s- и d- орбиталей палладия и s- орбиталей атомов водорода.

Показано, что встраивание атомов и молекул водорода в цепь контакта 4.

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.

Показано, что наличие примесных атомов и молекул водорода в 5.

палладиевых наноконтактах приводит к потере их магнитных свойств.

Изучено смешение атомов благородных и переходных металлов с атомами 6.

ферромагнитных элементов в нанопроводах и наноконтактах.

Установлено, что смешение приводит к образованию прочных одномерных наноструктур, обладающих магнитными свойствами.

Впервые обнаружено изменение магнитного упорядочения в смешанных 7.

Pd-Fe нанопроводах под действием деформаций. Показано, что при растяжении Pd-Fe провод переходит из ферромагнитного в антиферромагнитное состояние.

Проведено исследование свойств атомной и электронной структуры 8.

равномерно и неравномерно смешанных Au-Co нанопроводов.

Обнаружено образование димеров Со2 в проводе, приводящее к раннему разрыву провода между атомами золота при его растяжении. Впервые установлено, что растянутые Au-Co нанопровода формируются только при условии равномерного чередования в них атомов золота и кобальта.

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

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ 1.Smelova (Tsysar) K.M., Bazhanov D.I., Stepanyuk V.S., Hergert W., Saletsky A.M., Bruno P. Interplay between magnetism and structure in atomic-size Pd contacts: Ab initio studies, Physical Review B 77 033408 (2008), pp.1-4.

2.Цысарь К.М., Бажанов Д.И., Салецкий А.М., Степанюк В.С., Хергерт В.

Влияние примесных атомов и молекул водорода на атомную структуру палладиевых наноконтактов, Физика твердого тела 52 3 (2010) c.593-599.

3.Смелова Е.М., Цысарь К.М., Бажанов Д.И., Салецкий А.М. Теоретическое исследование методом первопринципной молекулярной динамики свойств атомной и электронной структуры смешанных проводов Au и Со, Письма в Журнал Экспериментальной и Теоретической Физики 93 3 (2011) c.144 147.

4.Смелова (Цысарь) К.М., Бажанов Д.И., Степанюк В.С., Салецкий А.М., Хергерт В., Исследование магнитных свойств палладиевых наноконтактов методом первопринципной молекулярной динамики, VI национальная конференция по применению Рентгеновского, Синхротронного излучений, Нейтронов и Электронов для исследования материалов «РСНЭ-2007», тезисы докладов, (2007),c. 456.

5.Смелова (Цысарь) К.М., Изучение свойств палладиевых наноконтактов, Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов-2008» Секция « Круглый стол "Россия – Германия: молодежный взгляд"» сборник тезисов, (2008),с. 7-9.

6. Smelova (Tsysar) K.M., Bazhanov D.I., Stepanyuk V.S., Hergert W., Saletsky A.M., Bruno P., The influence of the hydrogen impurities on the magnetic properties and atomic structure of palladium nanocontacts, Moscow international symposium of magnetism "MISM-2008", Book of abstracts, (2008), с. 347-348.

7.Смелова (Цысарь) К.М., Исследование магнитных свойств палладиевых наноконтактов методом первопринципной молекулярной динамики, Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов-2007» Секция «Физика» сборник тезисов. Физический факультет МГУ, (2007), с. 266-268.

8.Смелова (Цысарь) К.М. (Цысарь), Теоретическое исследование взаимосвязи между магнитными свойствами и атомной структурой в Pd наноконтактах, Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов-2008» Секция «Физика» сборник тезисов. Физический факультет МГУ, (2008),с. 335-337.

9.Смелова Е.М., Цысарь К.М, Исследование свойств атомной и электронной структуры золотых нанопроводов методом первопринципой молекулярной динамики. Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов 2009» Секция «Физика» сборник тезисов. Физический факультет МГУ, (2009), с. 288-289.

10. Цысарь К. М., Бажанов Д.И., Салецкий А.М., Степанюк В.С, Влияние водорода на атомную структуру и электронные свойства нанопроводов и наноконтактов палладия. VII национальная конференция «Рентгеновское, Синхротронное излучения, Нейтроны и Электроны для исследования наносистем и материалов Нано-Био-Инфо-Когнитивные технологии РСНЭ-НБИК-2009», (2009), с. 420.

11. Смелова Е.М., Цысарь К.М., Бажанов Д.И., Салецкий А.М., Исследование свойств атомной и электронной структуры золотых наноконтактов из первых принципов. VII национальная конференция «Рентгеновское, Синхротронное излучения, Нейтроны и Электроны для исследования наносистем и материалов Нано-Био-Инфо-Когнитивные технологии РСНЭ-НБИК-2009», (2009), с. 521.

12. Смелова Е.М., Цысарь К.М. Влияние примесей кобальта (Co) на атомную структуру и квантовые свойства золотых нанопроводов, Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов-2010» Секция «Физика» сборник тезисов. Том 2. Физический факультет МГУ, (2010), с. 262-263.

13. Tsysar K.M., Bazhanov D.I., Stepanyuk V.S., Hergert W., Saletsky A.M., Iinfluence of hydrogen impurities on atomic STRUCTURE and MAGNETIC PROPERTIES of palladium nanowires, IV Euro-Asian Symposium “Trends in MAGnetism Nanospintronics “EASTMAG-2010”, (2010), с. 45.

14. Tsysar K.M., Saletsky A.M., Stepanyuk V., Hergert W., Bazhanov D.I, The Influence of Hydrogen Impurities on atomic structure and magnetic properties of palladium nanocontacts, Proceedings of the European Conference on Surface Science (ECOSS 27), Groningen, Netherlands, (2010), p. 243.

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА 1 Matsuda T., Kizuka T., Palladium wires of single atom width as mechanically controlled switching devices, Jpn. J. Appl. Phys., 45, 1337 (2006).

2 Kiguchi M., Murakoshi K., Fabrication of stable Pd nanowire assisted by hydrogen in solution, Appl. Phys. Lett., 88, 253112 (2006).

3 Csonka Sz., Halbritter A., Mihaly G., Conductance of Pd-H nanojunctions, Phys.

Rev. Lett, 93, 016802, (2004).

4 Chopra H. D., Hua S. Z., Ballistic magnetoresistance over 3000% in Ni nanocontacts at room temperature, Phys. Rev. B, 66, 020403(R) (2002).

5 Bettini J., Sato F., Coura P.Z., Danatas S.O., Galvao D.S., Ugarte D., Experimental realization of suspended atomic chains composed of different atomic species, Nature Nanotecnology, 1, 182 (2006).

6 Egle St., Bacca C., Pernau H.- F., Huefner M., Hinzke D., Nowak U., Scheer E., Magnetoresistance of atomic - size contacts realized with mechanically controllable break junctions, Phys. Rev. B, 81, 134402 (2010).

7 Miura Y., Mazzarello R., Dal Corso A., Smogunov A., Tosatti E., Monatomic Au wire with a magnetic Ni impurity: Electronic structure and ballistic conductance Phys. Rev. B, 78, 205412 (2008).

8. Kresse G., Furthmller J., Efficient iterative schemes for ab initio total-energy calculations using a plane-wave basis set, Phys. Rev. B, 54, 11169 (1996).

9. Wang X., Chen C., Liu H., Ma J., Preparation and characterization of PAA/PVDF membrane - immobilized Pd/Fe nanoparticles for dechlorination of trichloroacetic acid, Water Research, 42 (18), 4656 (2008).

10. Heitsch A. T., Lee D. C. and Korgel B. A., Antiferromagnetic Single Domain L12FePt3 Nanocrystals, J. Phys. Chem. C 114 (6), 2512–2518 (2010);

M. E.

Gruner, Antiferromagnetism and segregation in cuboctahedral FePt nanoparticles, J. Phys. D: Appl. Phys. 41, 134015 (2008).