Структура интерфейсов и магнитные свойства металлических наносистем

• Автор: Уздин, Сергей Валерьевич
• Шифр специальности: 01.04.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 95 с. : ил.

Глава I. Метод модельных гамильтонианов при расчете магнитной структуры пространственно-неоднородных металлических систем1

1.1 Модельные гамильтонианы для описания коллективизированных

электронов 1 б

1.2 Метод рекурсий и расчет матричных элементов функций Грина.

Процедура самосогласования

1.3 Магнитные моменты в металлах с разной кристаллической

структурой. Выбор параметров модели

Глава II Магнетизм поверхностей, приповерхностных слоев и

интерфейсов 3d-металлов

2.1 Самосогласованные расчеты электронной и магнитной структур

вблизи поверхностей и интерфейсов

2.2 Магнетизм поверхностей Fe, Cr и интерфейсов Fe/Cr
Глава III. Неколлинеарный магнетизм в Зй-кластерах на металлической
поверхности
3.1 Метод функций Грина для расчета неколлинеарных систем
3.2 Неколлинеарная структура тримеров Cr, Fe и Мп на
металлической подложке
Глава IV Структура интерфейсов многослойных систем в спектрах
зеркального рассеяния рентгеновского излучения
4.1 Пространственная структура неидеального интерфейса
4.2 Рассеяние рентгеновского излучения на идеальных интерфейсах
4.3 Влияние перемешивания на спектры рассеяния рентгеновского
излучения
4.4 Шероховатость интерфейсов в спектрах зеркального рассеяния
Заключение
Литература

Исследование низкоразмерных магнитных систем, интенсивно проводимое последние годы, принесло открытие целого ряда новых явлений, важных как с точки зрения фундаментального магнетизма, так и приложений в наноэлектронике [1,2]. С развитием технологий создания наноструктур все большее значение приобретает экспериментальное и теоретическое изучение структурных дефектов, которые приводят к качественному изменению магнитных и транспортных свойств низкоразмерных систем. Такие дефекты в принципе невозможно избежать в процессе эпитаксиального роста, но и сами они под действием внешних условий могут формировать новые упорядоченные структуры, представляющие большой интерес для практического использования. Исследование структурных и магнитных дефектов, шероховатости интерфейсов, внутренней диффузии, погруженных магнитных кластеров - сложная проблема, для решения которой используется целый спектр экспериментальных методов. Однако большинство этих методов дают только усредненную или косвенную информацию о пространственной и магнитной структуре дефектов на атомном масштабе, а интерпретация экспериментов сама по себе является трудной неоднозначной задачей. Поэтому развитие теоретического подхода, позволяющего проводить расчеты неидеальных структурно-неоднородных систем и на их основе единым образом интерпретировать данные различных экспериментальных методик, представляет собой принципиальную проблему низкоразмерного магнетизма.
Существующие расчеты из первых принципов, основанные на методе функционала плотности [3], 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 первую очередь гамильтонианов Хаббарда и периодической модели

Андерсона для описания реальных систем [4]. Разумеется, вычисления в рамках метода модельных гамильтонианов не могут учитывать того же множества взаимодействий, как и расчеты из первых принципов. Однако, часто они дают довольно близкие результаты для тех же систем, позволяя рассмотреть объекты, гораздо более приближенные к изучаемым в эксперименте. При расчетах, как правило, используется формализм функций Грина, причем распределение локальных моментов определяется в конфигурационном пространстве с помощью метода рекурсий [5]. В рамках такого подхода выполнено большое количество расчетов магнитных поверхностей, интерфейсов и магнитных кластеров на металлических подложках.
Магнитные свойства поверхностей и интерфейсов металлических структур часто отличаются от свойств массивного образца. Это особенно важно для паносистем, где доля поверхностных и интерфейсных атомов возрастает, и именно они 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. Одной из наиболее изучаемых систем, как экспериментально, так и теоретически, являются сверхрешетки Fe/Cr. Именно в этих структурах были открыты эффекты осцилляций межслойного обменного взаимодействия [6] и гигантского магнетосопротивления [7], за которые П. Грюнбергу и А. Ферту была присуждена Нобелевская премия 2007 года [8,9]. Много усилий было посвящено исследованиям химической и магнитной структуры поверхностей Fe, Cr и интерфейса Fe/Cr на атомном масштабе. Методами туннельной спектроскопии было обнаружено сильное перемешивание на интерфейсах Fe/Cr [10] и Cr/Fe [11], хотя структура этих интерфейсов оказалась различной, несмотря на близкие режимы напыления образцов. Распределение магнитных моментов изучалось с помощью мессбауэровской спектроскопии [12], рассеяния поляризованных нейтронов [13], магнитометрических измерений [14]

можно решать рекурсивно. После получения матрицы Н в трехдиагональном виде, диагональные элементы матрицы (ті - Н)~' выражаются в виде цепных дробей
(г,|<ПЛ>
со-а.
И, в частности,

со-а,

со- а-,
Если матрица С симметричная ( например, когда все магнитные моменты лежат в плоскости и их направление задается только углом в, ), то искомая величина | С х^ может быть представлена в виде
^ 1X +х.. . X + X Л. /х +Х,, .X +хС^
-1Г'в'-1Г -Ьг|0|^г
Таким образом, для вычисления элемента {х | в необходимо произвести процедуру тридиагонализации с последующим обращением матрицы дважды, один раз с первым
і к)+к)
вектором нового ортонормированного базиса У)= ——т= > а второй - с
л/2
I лг ) — I д: )
Ті)— і =— • Обозначив матричные элементы трехдиагональнои матрицы в первом
л/2
случае через [а,} и и а во втором через {а'} и {Ь'} получаем: