Введение к работе
Актуальность темы.
В последние годы магнитные свойства наноструктур стали объектом интенсивных экспериментальных и теоретических исследований. Это связано с развитием технологий, позволяющих создавать наносистемы с контролируемой точностью, открытием в них новых физических эффектов, важных с точки зрения фундаментальной теории магнетизма, а также возможностью использования их в электронной промышленности. Достаточно упомянуть, что Нобелевская премия по физике за 2007 год была присуждена за открытие антиферромагнитного межслойного взаимодействия и гигантского магнетосопротивления в наноструктурах -металлических магнитных сверхрешетках [1,2].
Магнитные свойства поверхностей и интерфейсов металлических систем часто отличаются от свойств массивного образца. Это особенно важно учитывать для нанообъектов, где доля поверхностных и интерфейсных атомов возрастает, и именно такие атомы могут определять наблюдаемое магнитное поведение. Отсутствие пространственной симметрии в направлении, перпендикулярном границе раздела, а при учете шероховатости и в ее плоскости, делает задачу расчета магнитных моментов на атомном масштабе весьма трудоемкой. Развитие последовательной теории для расчета пространственного распределения магнитных моментов в указанных системах актуально как с точки зрения интерпретации данных, полученных с помощью различных экспериментальных методик, так и для понимания механизмов происходящих в них физических явлений.
Микроскопические расчеты, основанные на методе функционала плотности, не позволяют описывать электронную структуру сложных слоистых систем, где однородность нарушена в плоскости каждого слоя. Число неэквивалентных атомов при таких расчетах, как правило, не превосходит нескольких десятков. Это определяет интерес к методам,
основанным на использовании модельных гамильтонианов, в перву очередь гамильтонианов Хаббарда и периодической модели Андерсона, дл описания реальных систем. Хотя вычисления в рамках метода модельны гамильтонианов не могут учитывать того же множества взаимодействий, ка и расчеты из первых принципов, часто они дают довольно близки результаты, позволяя рассмотреть модельные объекты, гораздо боле приближенные к изучаемым в эксперименте.
Помимо большого научного значения, заключающегося в дальнейше уточнении и углублении основных представлений об электронной структур и свойствах реальных металлов в условиях, когда сильная пространственн неоднородность вызывает эффективное сокращение размерности системы такие расчеты важны при разработке новых элементов компьютерно памяти и других микроэлектронных устройств.
Цель работы
Целью работы является развитие теоретического подхода к описани электронной и магнитной структуры металлических поверхностей интерфейсов, неколлинеарных магнитных кластеров на проводяще поверхности и других низкоразмерных систем, проведени микроскопических расчетов ряда конкретных магнитных наноструктур, также разработка методов анализа многослойных систем с шероховатым интерфейсами.
Научная новизна
В работе впервые были получены следующие результаты:
В рамках метода модельных гамильтонианов для систем коллективизированными электронами развит теоретический подход дл описания электорнной и неколлинеарной магнитной структурь пространственно-неоднородных Зс/-систем с атомным разрешением.
Разработаны оригинальные алгоритмы, ускоряющие процедур самосогласованных расчетов наносистем. Выполнены расчеты
поверхностей Fe, Сг и интерфейсов Fe/Cr различной ориентации относительно кристаллографических осей.
Предсказано неколлинеарное магнитное упорядочение в малых кластерах Fe, Сг, Мп на проводящей подложке, подтвержденное в дальнейшем расчетами из первых принципов.
Построена микроскопическая модель образования сплава на интерфейсе, учитывающая обмен атомов с атомами подложки и всплывание последних в верхние слои в процессе эпитаксиального роста, а также показано, как различные типы шероховатости интерфейсов проявляются в спектрах зеркального рассеяния рентгеновского излучения.
Теоретическая и практическая ценность
Развитый теоретический подход к описанию магнитного упорядочения наносистем на атомном масштабе дает возможность исследовать влияние шероховатости поверхностей и интерфейсов на магнитные свойства.
Разработанные в ходе выполнения работы программные средства можно использовать для самосогласованных расчетов электронной структуры пространственно-неоднородных систем с неколлинеарным упорядочением магнитных моментов.
Результаты моделирования перемешивания при эпитаксиальном росте позволяют предсказывать технологические режимы выращивания слоистых наносистем с требуемой пространственной структурой и физическими свойствами.
Теория рассеяния рентгеновского излучения на слоистой структуре с неидеальными интерфейсами, представленная в работе, может быть использована для интерпретации экспериментальных спектров рентгеновского рассеяния и, следовательно, для контроля структуры интерфейсов слоистых наносистем на основе данных рентгеновской спектроскопии.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Магнитная структура пространственно-неоднородных металлически
наносистем может быть адекватно описана в рамках метода модельны
гамильтонианов для коллективизированных электронов. Быстры
алгоритмы расчета, использующие аналитический подход вмест
численного интегрирования в процессе самосогласования существенн
увеличивают возможности метода.
2. Рассчитанные зависимости модуля магнитного момента от расстояния д
поверхности идентичны для ферромагнитного железа и антферромагнитног
хрома при различной ориентации поверхностей металлов относительн
кристаллографических осей. Результаты расчета поверхностей Fe, Сг
интерфейсов Fe/Cr позволяют объяснить данные мессбауэровски
экспериментов на многослойных системах Cr/Sn и Fe/Cr/Sn.
Магнитные фрустрации в 3<1-кластерах на проводящей поверхност приводят к возникновению неколлинеарного магнитного упорядочения, иногда и к формированию нескольких метастабильных состояний, перехо между которыми может быть стимулирован внешним магнитным полем.
Предложенный сценарий перемешивания в процессе эпитаксиальног роста описывает асимметрию интерфейсов многослойных систем наблюдаемую экспериментально, и дает естественное объяснени мессбауэровским экспериментам с пробными слоями
5. Пространственная структура интерфейсов в многослойных металлическі
системах влияет на форму спектра зеркального рассеяния рентгеновског
излучения. Перемешивание на интерфейсе снижает высоты брэгговски
пиков. Шероховатость интерфейсов приводит к уширению брэгговски
пиков и исчезновению промежуточных максимумов между ними.
Личный вклад автора
Во всех совместных публикациях автор принимал участие в постановке задачи и обсуждении результатов. Им лично разработаны и отлажены все
программы для самосогласованных расчетов магнитной структуры и проведены все аналитические и численные расчеты.
Апробация полученных результатов работы
Основные результаты диссертационной работы были представлены на конференциях:
19th European Conference on Surface Science ECOSS-2000, Мадрид, 5-8 сентября 2000; XVII международной школы-семинара «Новые материалы для микроэлектроники», г. Москва, 20-23 июня 2000; Euro-Asian symposium «Trends in Magnetism» (EASTMAG-2001), Ekaterinburg, Russia February 27 -March 2, 2001; International conference "Functional materials" (ICFM-2001) Ukraina, Krimea, Partenit, October 1-5, 2001; XII международном симпозиуме «Нанофизика и наноэлектроника», Нижний Новгород, 10-14 марта 2008;
Публикации
По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ. Список публикаций приведен в конце автореферата.
Структура и объём диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения. Общий объем диссертации составляет 95 страниц, включая 25 рисунков. Список цитируемой литературы включает 99 наименований, список публикаций автора по теме диссертации — 11 наименований.
