WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 8 |
Зонствие между электронами — кулоновской энергией U, среднее число электронов на одном узле — электрон- ная картина пористого графита определяется не столько формой пор, сколько симметрией, и в некоторых случаях ной концентрацией n. Что достоверно известно, так энергетическая щель является периодической функцией это то, что механизмов упорядочения не так много.

расстояния между порами. Теоретически показано, что Графит может стать магнитным вследствие ферримагзонная структура пористого графита допускает разделенетизма Либа [71], разновидности антиферромагнетизма ние заряда и спина [75].

двухподрешеточной системы при дисбалансе узлов в подрешетках; другая возможность — ферромагнетизм плоских зон по механизму Милке–Тасаки [72].

3.2. Кривизна графеновой плоскости Если зонная структура содержит плоскую зону на Магнитные свойства объемного графита могут быть уровне Ферми, то на данное значение энергии прихосущественно изменены реакцией Стоун–Уэльса [76]:

дится бесконечное число состояний, а такая ситуация поворот двух соседних углеродных связей на угол /благоприятна для возникновения зонного ферромагнепревращает 4 гексагона в 2 пентагона и 2 гексагона.

тизма. Если плоская зона наполовину заполнена, то При этом в зонной структуре появляются плоские зоны.

отталкивающее электрон–электронное взаимодействие Изменение кривизны вследствие появления гексагонов приводит к полностью спин-поляризованному основнои пентагонов вместо гексагонов называют топологичему состоянию [72]. Наличие плоских зон само по себе скими дефектами, или дефектами Стоун–Уэльса, или не гарантирует ферромагнетизм, и плоская зона в этих 5/7 дефектами. Периодическая система таких дефектов моделях должна удовлетворять некоторым специальным полностью меняет зонную структуру графита, на одном условиям (условие связности [72]). Если условие связиз направлений образуется бездисперсионная зона, а ности выполнено, то соседние локализованные орбитали пик плотности состояний, обусловленный дефектами, перекрываются, а спины выстраиваются в соответствии с находится вблизи уровня Ферми [77].

принципом Паули. В двухподрешеточных системах действует теорема Либа [71], согласно которой влияние ко3.3. Края плоскостей роткодействующих электрон–электронных отталкиваний приводит к тому, что основное состояние наполовину Ограниченные графитовые структуры (рис. 5) имезаполненной системы, имеющей плоские зоны, становитют специфические краевые состояния. При обсуждении ся ферромагнитным с полным спином S = N(na - nb)/2, электронной структуры микрографита рассматриваются где N — полное число элементарных ячеек; na, nb — два вида краев графеновой плоскости: фенантреновый, число позиций в подрешетках A и B двухподрешеточной структуры. Тем не менее до сих пор нет достоверных сведений о том, возникает ли ферромагнетизм плоских зон в реальных системах. Ферромагнетизм плоских зон часто обсуждается в одном контексте с органическим магнетизмом, потому что именно органические вещества способны создавать нужную зонную картину, что далее будет проиллюстрировано рассмотрением различного типа дефектов в графите.

3.1. Пористый графит Можно условно выделить три вида дефектов графита:

пористость, края плоскостей и так называемые топологические дефекты. „Пчелиные соты“, т. е. идеальная бесконечная, бездефектная сеть шестиугольников, составленных атомами легких элементов, имеют зонную Рис. 5. Графен конечного размера. Показаны „зигзаг“-край структуру полуметалла. Та же плоскость, но пористая, (аценовый), „кресло“-край (фенантреновый) и „бородатый“ испещренная шестиугольными дырками, в зависимости (bearded) край (клейновский).

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 648 Т.Л. Макарова или „кресло“, и аценовый, или „зигзаг“. Валентно ненасыщенные связи на границах графеновых чешуек заполняются стабилизирующими элементами; в теоретических рассуждениях используются атомы водорода.

Обычно предполагается, что зигзаг-край стабилизирован одним атомом водорода. „Борода“, или клейновский край, отличается от „зигзага“ тем, что каждый краевой атом углерода связан с двумя атомами водорода [78].

Существует резкое различие между электронными состояниями в зависимости от формы края. Узкие и длинные графеновые ленты с зигзаг-краями характеризуются острым пиком плотности состояний при энергии Ферми, который отсутствует в объемном графите. Соответствующие энергетические зоны почти не имеют дисперсии Рис. 6. Электронная зонная структура гидрогенизированной на уровне Ферми. Волновые функции главным образом ленты графита. Сплошные и пунктирные линии представляют локализованы на зигзаг-крае. Применив модель Хаббар- собой дисперсионные кривые для электронов со спином, направленным соответственно вверх и вниз. На уровне Ферда в приближении среднего поля, Фудзита [40] предми имеется полностью спин-поляризованная бездисперсионная положил, что -электроны на зигзаг-крае могут создазона [82].

вать ферримагнитную систему спинов. Локализованные состояния не появляются в графитовых структурах, имеющих кресло-край. Периметр графена произвольной формы можно описать как смесь зигзаг- и кресло-краев.

ли Хаббарда с плоскими зонами (рис. 6) [82]. Такой Краевые состояния, которыми нельзя пренебречь, возниже механизм работает в случае гиперграфитов, т. е.

кают даже в графеновых плоскостях со слабо развитой структур с краями, на которых появляются полностью зигзаг-структурой: трех-четырех зубцов достаточно для вырожденные состояния [83].

заметных изменений в электронной структуре [79].

Если оба края ленты являются зигзаг-краями, или клейновскими краями, то полный спиновой момент графеновой ленты нулевой, поскольку -электронная 3.4. Упаковка плоскостей система создает двухподрешеточную структуру с одинаковым числом позиций в подрешетках. Упрощенно Необычный магнетизм предсказывался теоретически можно сказать, что локальные магнитные моменты на и наблюдался экспериментально в нанокристаллах угкраях взаимодействуют антиферромагнитно. Режим спилеродного материала, представляющих собой стопку новой волны такого магнитного состояния исследован в графеновых слоев. Имеется существенная разница в приближении случайных фаз в рамках модели Хаббарда.

магнитном поведении нанографитовых систем в завиУчет спиновой поляризации в эффективной модели симости от порядка чередования графеновых плоскоГейзенберга приводит к образованию щели, но анализ стей. В модели Хаббарда [84,85] была рассмотрена показывает, что щель мала, и тенденция к ферримагпростейшая упаковка A-A, в которой положения атомов нитным корреляциям на краях сильна [80]. Постановка углерода одинаковы для всех слоев, и упаковка A-B, где мебиусовских граничных условий для графеновой ленты каждый следующий слой сдвинут на половину величины с зигзаг-краями разрушает двухподрешеточную систему ячейки, и в результате слои чередуются, как в гексагои подавляет спиновую поляризацию, что ведет к появленальном графите. Рассматривался случай, когда число нию магнитной доменной стенки. Ширина магнитного атомных позиций и число электронов одинаково для домена определяется кулоновским взаимодействием и всех графеновых плоскостей. Прыжковый матричный убывает с увеличением отношения U/t [81].

элемент между слоями выше в случае последовательЗахват водорода на оборванные связи по периметру ности A-B, что приводит к конечной намагниченности нанографита может индуцировать конечную намагниченструктуры. Для идеальной A-B упаковки [84], а также ность. Теоретическое исследование графеновой ленты, в для структуры с меньшими межплоскостными расстокоторой каждый углерод связан с 2 атомами водорода на яниями за счет небольшого смещения слоев B отноодном краю (клейновский край) и с одиночным атомом сительно A [85] найдено антиферромагнитное решение.

водорода на другом краю (зигзаг-край), показало, что Упаковка A-B свойственна наиболее часто встречаюструктура имеет конечный полный магнитный момент:

щейся в природе гексагональной модификации графита образуется двойная решетка с различным числом позии, по-видимому, присуща нанографитовым системам, поций в каждой подрешетке. Двухподрешеточная система скольку эксперимент обнаруживает нетривиальные магстабильна и имеет спин-поляризованную плоскую зону.

Магнетизм, полученный из LSDA-вычислений, интер- нитные свойства (состояние спинового стекла [86,87], претируется как появление ферримагнетизма в моде- изменение линии ЭПР при адсорбции газов [88]).

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Магнитные свойства углеродных структур 3.5. Открытая электронная оболочка Модель замкнутой электронной оболочки не может объяснить такой экспериментальный факт, как уменьшение магнитного момента при уменьшении межплоскостных расстояний, вызванных адсорбцией молекул воды [89]. Были проведены вычисления для систем с открытой электронной оболочкой в изолированном слое нанографита [90–92]. Открытая электронная оболочка может быть создана либо изменением геометрии, либо присоединением активных боковых групп, которые снабжают нанографит электронами или дырками. Моделируя эффективным потенциалом заряд, поступивший от боковых функциональных групп, авторы показали, что абсолютные значения полного магнитного момента нанографита с открытой электронной оболочкой убывают с уменьшением межплоскостного расстояния, что полностью согласуется с экспериментом. Ферромагнетизм стабилен в областях с высоким межслойным прыжковым взаимодействием и сильным кулоновским отталкиванием электронов на узлах решетки.

3.6. Дефект углеродный атом–углеродная вакансия Рис. 7. a — спиновая плотность в плоскости, проходящей Расчеты из первых принципов энергии адсорбции и через находящийся в равновесном состоянии адатом и пердиффузии адатомов углерода на графеновой плоскости пендикулярной к поверхности графита; b —схема располопоказали, что дефекты типа „углеродная вакансия–углежения орбиталей в плоскости, проходящей через адатом и родный адатом“ обладают высокой мобильностью и два атома поверхности. Рисунок представляет собой проекцию, магнетизмом [93]. В равновесном положении адатом и p-орбиталь, показанная кружком темно-серого цвета, в углерода образует мостик между двумя атомами угле- действительности перпендикулярна его плоскости [93].

рода, принадлежащими поверхности (рис. 7). Вычисления методом функционала плотности показывают, что такой атом будет иметь магнитный момент 0.45µB.

формируя зоны. Спиновая плотность становится делоМагнетизм адатома объясняется из следующих сообкализованной, и магнетизм исчезает, вновь появляясь, ражений: атомы подложки и адатом находятся в разкогда атом подходит к следующему устойчивому состоличных гибридизациях. Поверхностныe атомы переходят янию. Атомы диффундируют, следовательно, как немагв sp3-гибридизацию, а адсорбированный атом остается нитные частицы, становясь магнитными в равновесных в sp2-состоянии. Электроны адатома распределяются позициях. Высокая подвижность приводит к частым следующим образом: два электрона участвуют в ковастолкновениям адатомов и их аннигиляции при рекомбилентной связи с атомами графеновой плоскости, один нации. Однако следует ожидать пиннинг и объединение из оставшихся образует оборванную sp2-связь, второй адатомов в кластеры, обладающие остаточным магнетизраспределяется между sp2-связью и pz -орбиталью. Эта мом даже при высоких температурах. Из разницы между pz -орбиталь по симметрии ортогональна поверхностным энергиями парамагнитного (S = 0) и ферромагнитного -орбиталям и не может образовывать зону, оставаясь состояний авторы оценивают температуру Кюри такой локализованной и, следовательно, спин-поляризованной.

структуры как 100–200 K.

Оборванная sp2-cвязь, по-видимому, будет частично спин-поляризована, но этот эффект пренебрежимо мал.

Атом углерода диффундирует в основном по плоско3.7. Структуры с элементами первого ряда сти (барьер для диффузии сквозь плоскости в 4 раза выше), и при движении магнитный момент затухает Способность создавать плоские зоны — свойство не примерно через четверть пути. Почему исчезает маг- атомов углерода, а свойство плоскостей, состоящих нетизм В переходной точке на пути диффузии атом из гексагонально связанных друг с другом атомов и имеет только одну связь с поверхностью, и гибридизация имеющих зигзаг-края или зигзаг-границы между химичеменяется на sp. Таким образом появляются 2 свободные ски различными элементами. Возникновение магнитного p-орбитали, на которые переходит лишний электрон, и упорядочения обусловлено краевыми или граничными они могут выровняться с -орбиталями поверхности, состояниями, которые характерны для трубчатых струкФизика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 650 Т.Л. Макарова тур и для гексагонально связанных структур. Гетеронанотрубы и гетероплоскости, состоящие из бора и азота, так же, как и углерод, являются наноразмерными ферромагнитами [94]. Для реализации ферро- или ферримагнитного состояния достаточно двух факторов:

зигзаг-граница между химически различными элементами и дисбаланс между числом атомов углерода в каждой подрешетке. Вычисления из первых принципов электронной структуры плоскостей, состоящих из гексагонально связанных атомов B, N, C, показали, что основное состояние плоскостей BNC определенной стехиометрии ферромагнитно. Для двух типов решеток были найдены магнитные и немагнитные решения, причем в обоих случаях ферромагнитное основное состояние оказалось ниже по энергии. По мере легирования ферромагнитные корреляции ослабевают, однако вычисления Рис. 8. Значения намагниченности магнитного углерода, полуметодом LSDA количественно показывают достаточную ченного из различного исходного материала в Национальном устойчивость ферромагнитного решения относительно институте материаловедения и химических реакций (Япония).

легирования. Переход от ферромагнитного к немагнитДля сравнения приведены данные для железа и железосодерным состояниям происходит при концентрациях 0.жащего углерода [100].

и 0.05 электронов на элементарную ячейку для двух различных типов решеток [95].

Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 8 |



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

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.