WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

Смирнов Алексей Сергеевич НАНОСТРУКТУРЫ, СТАБИЛИЗИРОВАННЫЕ ПОВЕРХНОСТНЫМИ СОСТОЯНИЯМИ, И ИХ МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА:

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ Специальности: 01.04.07 – физика конденсированного состояния 01.04.11 – физика магнитных явлений

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико–математических наук

Москва – 2009

Работа выполнена на кафедре общей физики физического факультета Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова и на физическом факультете Университета Мартина Лютера (г. Халле, Германия).

Научные руководители: доктор физико–математических наук, профессор Салецкий Александр Михайлович доктор физико–математических наук, профессор Степанюк Валерий Станиславович

Официальные оппоненты: доктор физико–математических наук, профессор Бушуев Владимир Алексеевич доктор химических наук, профессор Багатурьянц Александр Александрович

Ведущая организация: Оренбургский государственный университет

Защита состоится «18» ноября 2009 г. в 16 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 501.002.01 при московском государственном университете имени М. В. Ломоносова по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, д.1, стр.2, МГУ, физический факультет, аудитория ЮФА.

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

Автореферат разослан «16» октября 2009 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 501.002.01 кандидат физико–математических наук Т. В. Лаптинская 2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Традиционные методы создания интегральных микросхем и модулей хранения информации в ближайшем будущем достигнут своих производственных пределов. Решение этой проблемы может быть достигнуто за счёт применения новых технологий в процессе создания элементов электронных приборов. В 1970 г. нобелевский лауреат Р. Фейнман предложил принципиально новый подход к созданию электронных компонентов, который получил название «снизу-вверх». Целью новой стратегии стало получение элементов, состоящих из наноструктур. В связи с тем, что при переходе к процессам, происходящим в наномасштабах, проявляются новые физические явления, возник необычайный научный интерес к методам создания новых атомных структур на поверхностях металлов, а также к их характеристикам. Кроме того, манипулирование отдельными атомами при помощи сканирующего туннельного микроскопа – процесс, не воспроизводимый в промышленных масштабах, поэтому актуальным становится исследование процессов самоорганизации атомов в наноструктуры, получение их структурных и магнитных характеристик, а также изучение размерных закономерностей.

Цель и задачи работы. Основной целью данной работы является теоретическое исследование процесса формирования наноструктур, образованных металлическими атомами на кластерах поверхности металлов типа (111) и вблизи них и изучение магнитных свойств низкоразмерных наноструктур, стабилизированных поверхностными состояниями. В частности были поставлены следующие задачи:

1. Изучение влияния эффекта квантового конфайнмента, создаваемого кластером меди, на диффузию атомов меди и на их самоорганизацию.

2. Исследование магнитных характеристик одномерных цепочек атомов и двумерных гексагональных массивов.

3. Изучение высокотемпературного ферромагнетизма, возникающего в системе нанокластеров железа на поверхности меди (111).

4. Разработка программного комплекса для моделирования самоорганизации металлических атомов на поверхности типа (111) в присутствии нанокластеров и исследования магнитных свойств низкоразмерных наноструктур.

Научная новизна. В настоящей работе впервые:

1. На основе кинетического метода Монте-Карло разработан комплекс программ, позволяющий моделировать процесс самоорганизации металлических атомов на поверхности типа (111) при наличии на ней нанокластеров и исследовать магнитные свойства низко размерных наноструктур.

2. Показано, что квантовый конфайнмент, возникающий на поверхности кластеров, приводит к образованию «разрешенных» и «запрещенных» зон для диффузии атома, вследствие чего, атомы в процессе самоорганизации формируют температурно-стабильные концентрические орбиты на кластере и около него. Исследовано влияние размера кластера и концентрации атомов на размер, количество и стабильность этих орбит.

3. Установлено, что одномерные и двумерные магнитные структуры, стабилизированные свободными электронами поверхности, имеют ферромагнитные свойства. Определена температура Кюри для линейных цепочек и гексагонального массива атомов. Получены зависимости коэрцитивной силы от типов исследуемых систем и их размеров.

4. Количественно исследован высокотемпературный ферромагнетизм, наблюдающийся в системе нанокластеров атомов железа на поверхности меди (111). Показано, что высокая температура Кюри в таких системах обусловлена высокой энергией обменного взаимодействия кластеров на поверхности посредством свободных электронов подложки.

Практическая ценность. Представленные в работе результаты исследований самоорганизации атомов и магнитных свойств низкоразмерных наноструктур могут быть использованы при создании новых наноструктур и поиске новых ферромагнитных температурно-стабильных тонких пленок.

Положения, выносимые на защиту.

1. В условиях квантового конфайнмента поверхностных электронов процесс самоорганизации атомов меди происходит за счет формирования температурно-стабильных концентрических орбит на кластере меди и около него.

2. Ферромагнитизм магнитных одномерных линейных атомных цепочек и двумерных гексагональных массивов атомов, стабилизированных поверхностными состояниями.

3. Высокотемпературный ферромагнетизм, возникающий в системе нанокластеров железа на поверхности меди типа (111) за счет сильного обменного взаимодействия на поверхности посредством свободных электронов поверхности.

4. Комплекс программ, базирующихся на кинетическом методе МонтеКарло, для моделирования самоорганизации атомов на поверхности типа (111) в присутствии нанокластеров и исследования магнитных свойств низкоразмерных наноструктур.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях:

1. International Conference on Clusters at Surfaces (Rostock, Germany, 2008) 2. 3-я Всероссийская школа молодых ученых «Микро-, нанотехнологии и их применение» (Черноголовка, 2008) 3. Конференция «Математика. Компьютер. Образование» (Пущино, 2009) 4. Конференция молодых ученых «Ломоносов 2009» (Москва, 2009) 5. Spring Meeting of German Physical Society (Dresden, Germany, 2009) 6. 20th International Colloquium on Magnetic Films and Surfaces (Berlin, Germany, 2009) Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 научных статьи и тезисы к 8 докладам на научных конференциях (всего 12 печатных работ).

Личный вклад автора. Все основные результаты работы получены лично диссертантом. Вклад диссертанта в работу является определяющим.

Структура и содержание работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на страницах, включает 48 рисунков и 2 таблицы. Список цитируемой литературы содержит 105 библиографических ссылок. Каждую главу открывает вступительная часть, в которой представлены краткое содержание и основные задачи текущей главы. В заключительной части диссертации сформулированы основные результаты, полученные в ней, и выводы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, указана ее научная новизна, практическая значимость, приведено краткое содержание работы по главам.

Первая глава содержит библиографический обзор по теме диссертации.

В главе проанализированы результаты экспериментальных и теоретических работ, посвященных самоорганизации металлических атомов на поверхности металлов типа (111), магнитным свойствам наноструктур и теоретическим методам исследования формирования тонких пленок и их функциональных характеристик.

В завершающей части главы сформулированы основные задачи диссертационной работы; они заключаются в исследовании процессов формирования наноструктур, стабилизированных поверхностными состояниями, и получении их основных магнитных характеристик. Для решения этих задач разработан программный комплекс, основанный на кинетическом методе Монте-Карло, который позволяет: 1) моделировать процесс самоорганизации металлических атомов на подложках типа (111) в присутствии на ней нанокластеров; 2) моделировать динамику магнитных моментов атомов в структурах, стабилизированных свободными электронами поверхности, для получения магнитных характеристик.

Во второй главе описаны основные методы и алгоритмы, использованные в разработанном программном комплексе моделирования Рис. 1: Энергия взаимодействия атома меди с кластером меди а) атом находится на поверхности кластера; б) атом вблизи кластера. Границы кластера и одна треть его поверхности показаны полупрозрачными белыми кругами.

роста наноструктур и исследования их магнитных свойств. В первой части представлены основные положения общей теории процессов диффузии атомов на поверхности типа (111) и основные алгоритмы кинетического метода Монте-Карло [2] для моделирования самоорганизации атомов. Во второй части приведено описание кинетического метода Монте-Карло [2,3] при моделировании динамики магнитных моментов системы взаимодействующих магнитных единиц (атомов, нанокластеров или квантовых точек) для получения магнитных свойств наноструктур.

Третья глава посвящена исследованию самоорганизации атомов меди на поверхности меди (111) при наличии на ней кластеров.

Недавние эксперименты и теоретические работы показали, что кластеры, как и «корралы» или вакансионные дырки, имеют свойства квантовых резонаторов, т.е. на их поверхности возникает эффект квантового конфайнмента свободных электронов [4]. Вследствие данного явления, энергия взаимодействия атома с кластером зависит от взаимоположения атома относительно кластера. На рис. 1 изображены двумерные карты потенциала взаимодействия атома меди с кластером меди, когда атом находится на поверхности кластера (рис. 1а) и когда атом расположен вблизи кластера (рис. 1б). Расчет электронных взаимодействий производился при помощи метода ККР [5]. Как видно из рисунка, на кластере и около него располагаются чередующиеся зоны притягивающего и отталкивающего потенциала. Из-за эффекта Смолуховского близко к границе кластера на его Рис. 2: Распределение атомов меди на кластере меди со стороной 4 нм и в его окрестности при плотности напыления 0=5% монослоя (ML).

поверхности отталкивающие барьеры имеют максимальное значение, а с внешней стороны, в непосредственной близи кластера, – потенциал притягивающий, что соответствует агломерации атома с кластером. Далее, по направлению от границы к центру кластера и к периферии, значение потенциала взаимодействия осциллирует с периодом, равным половине длины волны Ферми для поверхности меди (111). Значения чередующихся минимумов и максимумов затухают. Таким образом, вследствие неоднородных электронных взаимодействий атома с кластером справедливо предположить, что диффузия одиночного атома вблизи кластера и на его поверхности при низких температурах будет анизотропная. Также наличие разрешенных и запрещенных зон должно оказывать существенное влияние на самоорганизацию атомов на кластере и около него.

Чтобы показать это, в работе при помощи кинетического метода МонтеКарло промоделирована самоорганизация атомов меди на поверхности меди (111) при различных концентрациях напыления 0 и температуре Т = 14 К – минимальной температуре, при которой начинается свободная диффузия на чистой поверхности. В модели рассматривалось три типа взаимодействия: 1) атом – кластер (когда атом находится на поверхности кластера); 2) атомкластер (в случае нахождения атома рядом с кластером); 3) дальнодействующее непрямое взаимодействие двух атомов [5].

На рис. 2 показано мгновенное распределение атомов меди на поверхности кластера меди и около него при концентрации атомов 5% ML (монослоя). Из рисунка видно, что атомы на поверхности кластера и около него формируют замкнутые концентрические шестиугольные обриты (обозначены прозрачными шестиугольниками). Расстояние между атомами внутри одного кольца соответствует локальному минимуму в потенциале взаимодействия «атом-атом» для меди и равно 11. Первая орбита на поверхности кластера расположена на расстоянии 3 от его границы, что соответствует области минимума в потенциале взаимодействия «атом – кластер» (рис. 1а). Первая орбита с внешней стороны кластера находится в 8 от его границы и соответствует первому минимуму в потенциале, изображенном на рис. 1б. Следует также отметить, что формирование вторых и третьих орбит на кластере и около него происходит, в основном, за счет непрямого дальнодействующего взаимодействия между атомами 1й орбиты с атомами, находящимися около нее, поскольку влияние кластера на атомную диффузию на этих расстояниях мало.

Для демонстрации влияния размерного эффекта на самоорганизацию атомов меди на кластере и вокруг него, в работе рассмотрены гистограммы статистически усредненной плотности атомов (количество атомов, приходящихся на площадь концентрического шестиугольного кольца) на кластере и вне него как функцию расстояния до границ кластеров.

Положительные расстояния r соответствуют областям, расположенным вне кластера, в то время как отрицательные – областям внутри него. Как видно из рис.3, при концентрации 0 = 1% ML пик плотности атомов на кластере меньшего размера присутствует только у его границы, т.е. все атомы сосредоточены на расстояниях 1.5 от края типа А или 3 от края типа Б.

При данном уровне напыления происходит формирование 1-ой орбиты атомов меди на кластере вдоль его границы. Первый пик плотности вне кластера соответствует атомам, присоединенным к кластеру в процессе напыления, в дальнейшем процессе самоорганизации они не подвижны.

Следующий максимум плотности находится на расстоянии r 9, что соответствует локальному минимуму в потенциале взаимодействия кластера и атома, расположенного вне кластера (рис. 1б).

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»