Введение к работе
Актуальность темы Искусственно создаваемые низкоразмерные магнитные структуры - монослои па поверхности, сэндвичи, металлические сверхрешетки - привлекают последнее время особый шггерес в физике конденсированного состояния. С одной стороны это связано с развитием технологий, позволяющих создавать такие системы с контролируемой точностью и возможностями их практического использования в микроэлектронике, с другой - с открытием новых физических закономерностей, приводящих к иному взгляду па саму природу магнетизма. Достаточно упомянуть обнаружение антиферромагнитной обменной связи и гигантского магнетосопротивления в меташпїческих сверхрешетках и сэндвичах, которые дали массу новой информации относительно мехаїгазма обмеїпіьіх взаимодействіш в нгокоразмерных магнитных системах [1].
Несмотря на большое число публикаций, появившихся в этой области, многие фундаментальные проблемы теории низкоразмерных магнитных систем остаются далекими от завершения. Важной особенностью, затрудняющей их теоретическое описание, является принципи-альная необходимость учета неидеалыюсти, такой как шероховатость поверхностей и интерфейсов, паличне адсорбированных атомов, влияние подложки и т. п. , которые часто приводят к качественному изменению всех физических свойств, наблюдаемых в эксперименте.
В связи с указанным обстоятельством возникает задача создания теории низкоразмерных магнитных систем, способной описать их электронную и магнитную структуру при учете пространственной неодно-
родности в плоскости и показать к какому изменению физических свойств приводит такая неидеальность. Развитие последовательной теории для расчета пространственного распределения магнитных моментов в указанных системах оказывается чрезвычайпо важно как с точки зрения возможности интерпретации данных, полученных с помощью различных экспериментальных методик, так и для понимания механизмов происходящих в них физических явлений.
Помимо большого научного значения, заключающегося в дальнейшем уточнении и углублении основных физических представлений об электронной структуре и свойствах реальных металлов, особенно в условиях когда сильная пространственная неоднородность вызывает эффективное сокращение размерности системы, такое рассмотрение важно и с практической точки зрения, поскольку представляет собой необходимый этап в решении задачи создания миниатюрных искусственных систем с наперед заданными свойствами, использование которых обещает качественные изменения в микроэлектронике и вычислительной технике.
Цель работы состоит в построешш теоретического подхода к описанию электронной и магнитной структуры металлических поверхностей интерфейсов, сверхрешеток и других систем пониженной размерности в условиях, когда пространственная однородность нарушена в плоскости. Он основывается на методе модельных гамильтонианов и предполагает решение уравнений для функций Грина методом рекурсий в реальном пространстве. Теория содержит минимальное число феноменологических параметров, определяемых из условия воспроизведения магнитных характеристик массивного образца. Разработанные быстрые алгоритмы, использующие аналитический подход вместо численного
интегрирования, обеспечивают скорость согласования в сотни раз более высокую, чем в стандартной методике [2]. Это позволяет проводить расчет неидсальных систем, с негладкими интерфейсами при учете интердиффузии, что в свою очередь дает возможность проводить сравнение полученных результатов с данными реальных экспериментов.
Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые - На основе точного микроскопического гамильтониана выведены уравнения для описания электронной подсистемы металлических низкоразмерных магнитоупорядоченных систем, соответствующие при выборе определенного анзатца для входящих в теорию энергетических параметров различным, используемым в теории магнитоупорядоченно-10 состояния, модельным гамильтонианам.
Проанализированы свойства самосогласованных решений в периодической модели Андерсона. Исследована зависимость величшпл локализованных магнитных моментов от числа координационных сфер, внутри которых учитывается гі-<і-взаимодействпе, рассмотрен вопрос о единствепностп решений и о возможности описания магнитных фазовых переходов Ірода.
Проведены численные расчеты поверхностей, тонких пленок, шггер-фейсов магнитоупорядоченных переходных металлов. Показано, что в зависимости от значепий параметров модели возможно различное поведение магнитных моментов вблизи поверхности, начиная от поверхностного магнетизма и кончая "мертвыми слоями" на поверхности магнитного металла.
Вьшолнеїш расчеты поверхностей железа и хрома при различной ориентации их относительно кристаллографических осей, ступепчатых
поверхностей и монослойных покрытий на них, кластеров из одного металла, погруженных в другой как в массивном образце, так и вблизи поверхности или интерфейса. Проведено сравнение результатов расчетов пространственно-неоднородных систем в модели Хаббарда и периодической модели Апдсрсона, а также сравнение с данными расчетов из первых принципов для ряда идеальных систем.
Рассмотрен обширный класс явлений на поверхности переходных металлов: адсорбция, реконструкция поверхности, взаимодействие адсорбированных атомов, свойства покрытий одного переходного металла на поверхности другого при учете шероховатости и интердиффузии.
Разработана программа моделирования негладких поверхностей и интерфейсов с последующим самосогласованием магнитных моментов в получающейся неидеальной структуре, на основе которой объяснены экспериментальные данные по монослойным покрытиям Сг на поверхности железа.
Предложены простые модели, основанные на идее о квантовых ямах, в которых оказываются заперты электроны проводимости, и на их основе объяснен широкий спектр экспериментальных данных, относящихся к антиферромагнитному обменному взаимодействию и гигантскому магнетосопротивленшо в металлических магнитных сверхрешетках.
Обоснованность результатов диссертации достигается тем, что развитая теория базируется на фундаментальных положениях кваїгго-вой статистической механики. Методическую основу исследований составляет метод функций Грина, использующий современные теоретико-полевые методы изучения точных уравнений динамики квантовых систем. Применяемые в работе при проведении конкретных вычислений
приближенные соотпошешія хорошо апробированы и оправданы при рассматриваемых значениях параметров. Достоверность результатов подтверждается также сравнеігаем с данными других авторов, полученных для ряда частных и предельных случаев, и способпостьто развитой теории объяснить целый ряд экспериментальных закономерностей поведения низкоразмерпых магнитных систем.
Практическая зпачимость работы определяется возможностью использования разработанных в диссертации методов и алгоритмов для расчета электронной и магнитной структуры реальных низкоразмершлх структур, изучаемых в эксперименте и интерпретации эксперимента на основе развитой теории. Простые качественные модели, предложенные в работе дают возможность прояснить физические механизмы поведения рассматриваемых систем. При этом удается не только объяснить наблюдаемые закономерностп, но и сделать предсказашія относительно новых свойств искусственных мультислойных структур.
На защиту выносятся следующие результаты:
-
Вывод в рамках микроскопического подхода при учете межэлектронного взаимодействия в ферми-жидкостном приближении уравнений для функций Грина и массового оператора, описывающих как частные случаи различные, используемые в теории мапштоупорядочен-ного состояния, модели (модель Хаббарда, периодическая модель Андерсона и др.).
-
Разработка методов расчета массового оператора, позволяющих учитывать ^-^-взаимодействие внутри произвольного заданного числа коордипацпонных сфер выделенного атома. Создание быстрых алгоритмов расчетов, использующих аналитический подход вместо численного интегрирования, для самосогласованного определения
распределения локализованных магнитных моментов в пространственно-неоднородных металлических системах.
-
Результаты з онных и кластерных р асчетов электр онной и магнитной структур в периодической модели Андерсона, сравнительных расчетов одних и тех же физических систем в модели Хаббарда и периодической модели Андерсона с целью выяснения устойчивости полученных результатов относительно приближений, используемых при расчетах. Анализ вопроса о единствеїшости решений и возможности описания фазовых переходов первого рода в методе модельных гамильтонианов.
-
Результаты расчетов электронной структуры слоисто-неоднородных систем - поверхностей, тонких пленок, субмонослойных покрытий, сверхрешеток, атомов, адсорбированных на поверхности - выполненных в рамках периодической модели Андерсона.
-
Объяснение установленной экспериментально немонотонной зависимости теплоты хемосорбции водорода на металлах Jrf-ряда от атомного номера.
-
Результаты расчетов объемных и поверхностных магнитных свойств разбавленных сплавов FeCr, кластеров, состоящих из атомов железа, погруженных в матрицу хрома как в массивном образце, так и вблизи поверхности или интерфейса FelCr; различных дефектов, приводящих к шероховатости интерфейса FelCr.
7. Разработка алгоритма для моделирования процесса эпитаксии гене
рирующего негладкие интерфейсы с различной степепыо шерохова
тости. Результаты самосогласованных расчетов распределения маг
нитных моментов для структур, включающих более тысячи атомов,
полученных в результате работы этого алгоритма. Объяснение на
оспове выполненных расчетов полученной экспериментально динамики изменения магнитного момента топкой пленки Fe в процессе напыления Сг па её поверхность. 8. Объяспение в рамках модели квантовых ям, наблюдаемых экспериментально в металлических магнитных сверхрешетках и сэндвичевых системах, эффектов поляризации электронов проводимости вблизи интерфейса, особенностей поведения обменной связи при изменении толщин как магнитных, так и немагнитных слоев, гигантского магнето сопротивления. Развитие теории обменного взаимодействия в сложных мультпслойных структурах, включающих магнитные слои из различных материалов, и предсказание экспоненциальной зависимости парамегра обменной связи от толщины магнитной прослойки FM2, вставляемой в интерфейсы трехслойной системы FM1INMIFM1.
Все результаты, составляющие основу выносимых на защиту научных положений, включая все расчеты, представлепіше в диссерта-цпп, принадлежат лично автору. Апробация работы
Основные результаты диссертации опубликованы в 31 печатной работе, а также докладывались и обсуждались на Всесоюзных сємішарах по низкотемпературной физике металлов (Донецк, 1989, 1991), на 2-м Всесоюзном семинаре "Магнитные фазовые переходы и критические явления" (Махачкала, 1989), на зимних школах-симпозиумах по теоретической физике "Коуровка" (Екатеринбург, 1988, 1990, 1992, 1994, 1996), на Международной школе физики ЮНЕСКО (Санкт-Петербург, 1992, 1996), на Международной летней школе по магнетизму ISSM-94 (Харьков, 1994), на Международной конференции по применению эф-
фекта Мессбауэра ICAME-95 (Римини, Италия, 1995), на 10-й Международной конференции по сверхтонким взаимодействиям HFF-10 (Левен, Бельгия, 1995), на 2-м Международном симпозиуме по металлическим мультислойным системам MLL-2 (Кембридж, Англия, 1995), на 15-й Европейской конференции по изучению поверхности ECOSS-15 (Лилль, Франция, 1995), на Международном симпозиуме E-MRS (Страсбург, Франция, 1996), на Международном семинаре (сателлит Е-MR.S) по изучению магнетизма интерфейса Fe/Cr (Страсбург, Франция, 1996), а также на научных семинарах в Сапкт-Петербургском университете, Санкт-Петербургском отделении Математического института им. ВА.Стеклова, Институте Физики Металлов (г. Екатеринбург), Варшавском техническом университете (Польша), Институте ядерной физики и физики элементарных частиц (Будапешт, Венгрия), Университете им. Луи Пастера (Страсбург, Франция).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, насчитывающего 204 наименования. Общий объем работы 236 страниц; рисунков - 65; таблиц - 13. Библиография- 204 наименования.