ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ЗОЛОТЫХ И СМЕШАННЫХ Au-Co НАНОКОНТАКТОВ И НАНОПРОВОДОВ

Добрый день! Уважаемые студенты, Вашему вниманию представляется дипломная работа на тему: «ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ЗОЛОТЫХ И СМЕШАННЫХ Au-Co НАНОКОНТАКТОВ И НАНОПРОВОДОВ»

Оригинальность работы 77%

Введение.

Бурное развитие электроники, приводящее к постоянной миниатюризации элементов интегральных микросхем, ставит перед физиками новые задачи. В частности, появляется необходимость создания проводников сверхмалых токов, а также наноструктур с необычными магнитными и электронными свойствами. Подобными свойствами обладают одномерные металлические наноструктуры, такие как наноконтакты1 между двумя электродами. Таким образом, получение металлических наноконтактов с контролируемыми свойствами является на сегодняшний день одной из интереснейших и весьма актуальных задач.

Если наноконтакт магнитный, то через него возможно протекание спин-поляризованного тока, такие контакты могут рассматриваться в качестве спиновых фильтров, поскольку могут пропускать электроны преимущественно одной спиновой поляризации. Интерес к этим наноструктурам объясняется возможностью применения наноконтактов в устройствах спинтроники. Спинтроника (spintronics) — это область квантовой электроники, в которой для физического представления информации наряду с зарядом используется спин частиц. Следует особо подчеркнуть, что проводимость наноконтактов носит квантовый характер, так как ток в этих структурах может переноситься одним лишь электроном (баллистический транспорт). Поэтому проводимость наноконтактов в значительной степени зависит от свойств их атомной и электронной структуры, а также от их химического состава . Несмотря на то, что впервые металлические наноконтакты были получены в 1998 году, только 2002 году была впервые установлена взаимосвязь между магнитными свойствами и проводимостью наноконтактов [1 ] , получившая название баллистического магнетосопротивления.

Особый интерес исследователей связан с изучением одномерных структур d элементов, поскольку они могут обладать уникальными физическими и химическими свойствами. Изучение свойств металлических наноконтактов и нанопроводов основывается на детальном анализе межатомного взаимодействия и его изменения в зависимости от различных факторов. Оценка проводится с помощью первопринципных методов расчета атомной и электронной структуры. Самосогласованные расчеты из первых принципов являются очень сильным и точным инструментом в решении задачи определения физико-химических свойств материалов и структур (одиночные атомы, кластеры, пленки, сплавы и др.). Главное достоинство теоретических методов исследования на основе первопринципных расчетов заключается в использовании фундаментальных знаний, выраженных в строгой математической формулировке без использования различных подгоночных переменных и параметров. По этой причине результаты таких исследований обеспечивают прочную основу для развития и разработки новых феноменологических концепций.

На сегодняшний день хорошо известно, что у ряда материалов, не обладающих магнитными свойствами в кристаллическом массиве, возникают магнитные свойства в структурах низкой размерности (кластеры, монослои, поверхности, провода контакты) [2,3,4]. При этом особо надо подчеркнуть, что квантовый транспорт через наноконтакты очень сильно зависит и от атомной структуры наноконтакта, и от его геометрии и от наличия в нѐм примесных атомов и молекул лѐгких газов, также на квантовый ток через наноконтакт может влиять атомный состав наноконтакта или провода.

Настоящая работа посвящена изучению квантовых свойств золотых нанопроводов и наноконтактов, а так же смешанных нанопроводов (Au-Co), которые в значительной степени зависят от свойств их атомной и электронной структуры, наличии примесей, а также от их химического состава.

Структура диплома:

Глава I содержит обзор литературы, посвященной современным достижениям в создании металлических наноконтактов и исследовании их свойств.

В     Главе II представлен метод расчета атомной и электронной структуры наноконтактов.

В    Главе III рассматриваются структурные свойства и квантовые эффекты в наноконтактах.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы.

Содержание.

Введение…….................................................................................................................................................................. 2

1.   Экспериментальное      и       теоретическое       исследование      наноконтактов      (обзор

литературы)………………………………………………………………………………….4

1.1. Способы формирования наноконтактов............................................................................................. 4

1.2. Проводимость наноконтактов….……............................................................................................... 6

1.3. Магнитные свойства нанопроводов и наноконтактов 4d и 5d металлов…………...9

1.4. Влияние   примесей  на  магнитные  и  электронные  свойства  нанопроводов  и

наноконтактов…………….....................………………………………………………12

2.     Метод исследования и модель исследования. ……...........................................................14 2.1. Теория функционала электронной плотности. ……..................................................14

2.2. Расчет сил методом первопринципной молекулярной динамики. ……..................20

2.3. Метод псевдопотенциалов…………………. ………………………………………...20

2.3.1. Paw-метод………………...…………………….…………………………..........23 2.4. Описание модели исследования Au наноконтактов и нанопроводов……………...27

3.     Исследование геометрии и электронных свойств золотых и смешанных Au–Co нанопроводов и наноконтактов…………..…………………………………………..........31 3.1. Исследование геометрии и электронных свойств одномерных Au

нанопроводов…………………………………………………………………………..31 3.2. Исследование атомной геометрии и электронных свойств одномерных смешанных

Au–Co нанонопроводов…………..……………………………………………………35

3.3. Исследование     атомной      геометрии            и      электронных     свойств     золотых

наноконтактов.................................................................................................................................................... 46

3.4. Исследование геометрии и      магнитных свойств одномерных смешанных Au-Co

наноконтактов …………………………………………………………………………49

4.Выводы…………………………………..…….............................................................................................. 54

5.Список литературы.……................................................................................................................... 55

5. Список литературы.

1)     Harsh Deep Chopra* and Susan Z. HuaBallistic magnetoresistance over 3000% in Ni nanocontacts at room temperature, Phys. Rev. B, 66, 020403(R) ,(2002)

2)       A. Delin, E. Tossati, Magnetic phenomena in 5d transition metal nanowires, Phys. Rev. B 68, 144434 (2003)

3)     D. Spisˇa´k and J. Hafner, Magnetism of ultrathin wires suspended in free space and adsorbed on vicinal surfaces, Phys. Rev. B, 67, 214416, 2003

4)     T. Nautiyal, T. H. Rho, and K. S. Kim, Nanowires for spintronics:  A study of transition-

metal elements of groups 8–10, Phys. Rev. B,   69, 193404,2004

5)     R. Wiesendanger, Scanning Probe Microscopy and Spectroscopy, Cambridge University Press, Cambridge, 1994

6)     H. Ohnishi, Y. Kondo and K. Takayanagi, Quantized conductance through individual rows of suspended gold atoms, Nature 395, 780 (1998)

7)     V. Rodrigues, J. Bettini, P.C. Silva, D. Ugarte, Evidence for Spontaneous Spin-Polarized Transport in Magnetic Nanowires, Phys Rev. Lett. 91, 096801 (2003)

8)     J. K. Gimzewski and R. Möller, Transition from the tunneling regime to point contact studied using scanning tunneling microscopy, Phys. Rev. B, 36, 1284–1287, (1987)

9)     C. Zhou, C. J. Muller, M. R. Deshpande, J. W. Sleight, and M. A. Reed, Microfabrication of a mechanically controllable break junction in silicon, Appl. Phys. Lett., 67 (8), 1160-1163 (1995)

10) K. S. Ralls and R. A. Buhrman, Defect Interactions and Noise in Metallic Nanoconstrictions, Phys. Rev. Lett., 60, 2434–2437 (1988).

11) E. S. Snow, P. M. Campbell and D. Park , Metal point contacts and metal-oxide tunnel barriers fabricated with an AFM, Superlattices and Microstructures 20 (1996) 545–553

12) E. S. Snow, D. Park, and P. M. Campbell, Single-atom point contact devices fabricated with an atomic force microscope, Appl. Phys. Lett. 69, 269–271, (1996)

13) Matthias Rief, Mathias Gautel, Filipp Oesterhelt, Julio M. Fernandez, and Hermann E. Gaub, Reversible Unfolding of Individual Titin Immunoglobulin Domains by AFM, Science 276, 1109–1112, (1997)

14) C. Z. Li and N. J. Tao, Quantum transport in metallic nanowires fabricated by electrochemical deposition/dissolution, Appl. Phys. Lett. 72, 894–896, (1998)

15) V. Rodrigues and D. Ugarte, Real-time imaging of atomistic process in one-atom-thick metal junctions, Phys. Rev. B, 63, 073405 (2001)

16) Yu.V. Sharvin, A possible method for studying Fermi surfaces, Sov. Phys.-Jetp 21 (1965) 655–656 (Zh. Eksp. Teor. Fiz. 48 (1965) 984–985)

17) M. Buttiker, Scattering theory of current and intensity noise correlations in conductors and wave guides, Phys. Rev. B, 46, 12485–12507, (1992)

18) R. Landauer, Electrical resistance of disordered one-dimensional lattices, Phil. Mag. 21, 863– 867, (1970)

19) M. Brandbyge, J. Schiotz, M. R. Sorensen, P. Stoltze, K. W. Jacobsen, and J. K. Norskov, L. Olesen, E. Laegsgaard, I. Stensgaard, and F. Besenbacher Phys. Rev. B, 52, 8499–8514, (1995)

20) J. M. Krans and C. J. Muller, I. K. Yanson, Th. C. M. Govaert, R. Hesper, and J. M. van uitenbeek, One-atom point contacts, Phys. Rev. B, 48, 14721–14724 (1993).

21) Andras Halbritter, Szabolcs Csonka, Peter Makk, Gyorgy Mihaly, Interaction of hydrogen with metallic nanojunctions, Journal of Physics: Conference Series, 61, 214–218, (2007)

22) 41J. C. Cuevas, A. Levy Yeyati, A. Martín-Rodero, G. Rubio Bollinger, C. Untiedt, and N. Agraït, Evolution of Conducting Channels in Metallic Atomic Contacts under Elastic Deformation, Phys. Rev. Lett., 81, 2990–2993, (1998)

23) C. Heiliger, M. Gradhand, P. Zahn, and I. Mertig, Phys. Rev. Let. 99, 066804 (2007)

24) Y.N. Kim, E.K. Lee, Y.B. Lee, H. Shim, N.H. Hur, and W.S. Kim, Direct Evidence for Ferromagnetism of Nanometer-Scale Palladium by Contact with Perovskite Manganite, J. Am. Chem. Soc. 126, 8672 (2004)

25) T. Shinohara, T. Sato, and T. Taniyama, Surface Ferromagnetism of Pd Fine Particles, Phys. Rev. Let.,91,197201,(2003)PACS

26) B. Sampedro et al., Ferromagnetism in fcc Twinned 2.4 nm Size Pd Nanoparticles, Phys.Rev.Lett., vol.91, n.23, p.237203, 2003.

27) Matthieu Jamet, Wolfgang Wernsdorfer, Christophe Thirion, Véronique Dupuis, Patrice Mélinon, Alain Pérez, and Dominique Mailly Magnetic anisotropy in single clusters Phys.

Rev. B 69, 024401 (2004)

28) V. S. Stepanyuk, A. L. Klavsyuk, W. Hergert, A. M. Saletsky, P. Bruno, and I. Mertig, Magnetism and structure of atomic-size nanocontacts, Phys. Rev. B 70, 195420 (2004)

29) V. Rodrigues, J. Bettini, A. R. Rocha, L. G. C. Rego, and D. Ugarte, Brief Reports, Phys. Rev. B 65 153402,(2002); C.Z. Li, H.X. He, A. Bogozi, J.S. Bunch, N.J. Tao, Appl. Phys. Lett. 76 1333–1335 (2000)

30) Hugh Dalgleish and George Kirczenow, Theoretical study of spin-dependent electron transport in atomic Fe nanocontacts, Phys. Rev. B, 72, 155429 (2005)

31) F. Pauly, M. Dreher, J. K. Viljas, M. Häfner, J. C. Cuevas, and P. Nielaba, Theoretical analysis of the conductance histograms and structural properties of Ag, Pt, and Ni nanocontacts, Phys. Rev. B, 74, 235106(2006)

32) J. Fernández-Rossier, David Jacob, C. Untiedt, and J. J. Palacios, Transport in magnetically ordered Pt nanocontacts, Phys. Rev. B, 72, 224418 (2005

33) J. Velev, et al. Phys. Rev. Lett. 94, 127203 (2005); T. Haug, et al. Phys. Rev. B 79, 024414 (2009)

34) Wei Fa and Jinming Dong, J. Chem. Phys. 128, 244703 (2008)

35) J. Bettini, F. Sato, P.Z. Coura, S.O. Dantas, D.S. Galvao and D. Ugarte, Nature Nanotechnology 1, 182 (2006)

36) J. Wang, et al., Appl. Phys. Lett. 92, 032507 (2008); Y. Miura, et al. Phys. Rev. B 78, 205412 (2008)

37) A. Enomoto et al., Phys. Rev. B 65, 125410, (2002

38) K. Palotás, B. Lazarovits, L. Szunyogh, P. Weinberger Ab initio study of the electric transport in gold nanocontacts containing single impurities Phys. Rev. B 70, 134421 (2004)

39) Andrei Sokolov, Chunjuan Zhhang, Evgeny Y. Tsymbal, Jody Redepenning? Bernard Doudin, Quantized magnetoresistance in atomic-size contacts, 25 February 2007; doi:10.1038/nnano.2007.36

40) Stefan Egle, Cecile Bacca, Hans-Fridtjof Pernau, Magdalena Huefner, Denise Hinzke, Ulrich Nowak, Elke Scheer, Magnetoresistance of atomic-size contacts realized with mechanically controllable break junctions, Phys. Rev. B 81, 134402 (2010)

41) Hideki Nabika, Kensuke Akamatsu, Minoru Mizuhata, Akihiko Kajinami , Shigehito Deki, Microstructure and electron transport properties of AuxCo1 2 x nano-alloys embedded in polyacrylonitrile thin films, J. Mater. Chem., 2002, 12, 2408–2411

42) Марч Н., Кон В., Вашишта П., Лундквист С., Уильямс А., Барт У., Лэнг Н. Теория неоднородного электронного газа. М.: Мир, (1987).

43) A.Gonis, Theoretical materials science, 2000.

44) P. N. Molin, Solid State Storage of Hydrogen in Magnesium Alanate -a Density Functional Study, Department of Physics University of Oslo, (2005).

45) P. Hohenberg and W. Kohn. Inhomogeneous electron gas. Phys. Rev., 136:B864, 1964

46) J.P. Perdew, J.A. Chevary, S.H. Vosko, K.A. Jackson, M.R. Pederson, D.J.Singh, and C. Fiolhais. Atoms, molecules, solids, and surfaces: Applications of the generalized gradient approximation for exchange and correlation.Phys. Rev. B, 46:6671, (1992)

47) J.P Perdew, K. Burke, and Y. Wang. Generalized gradient approximaton for the exchange-correlation hole of a many-electron system. Phys. Rev. B, 54:16533, (1996)

48) J.P. Perdew. Accurate density functional for the energy: Real-space cutoff of the gradient expansion for the exchange hole. Phys. Rev. Lett., 55:1665, 1985

49) G. Kresse and J. Furthmuller. Ef_cient iterative schemes for ab initio total-energy calculations using a plane-wave basis set. Phys. Rev. B, 54:11169, (1996)

50) W. Kohn and L.J. Sham. Self-consistent equations including exchange and correlation effects. Phys. Rev., 140:A1133, 1965

51) A.А. Кацнельсон, В.С. Степанюк, О.Ф. Фарберович, А. Сас. Электронная теория конденсированных сред. М.: Изд-во МГУ, (1990)

52) P. Blochl. Projector augmented-wave method. Phys. Rev. B 50, 17953 (1994)

53) P.E. Blochl. Projector-augmented wave method: An introduction. http://www.pt.tu-clausthal.de/atp/

54) N. A. W. Holzwarth, G.E.Matthews, R.B.Dunning,A.R.Tackett and Y.Zeng.Comparison of the projector augmented-wave, pseudopotential, and LAPW formalisms for density-functional calculation of solid.Phys.Rev.B vol. 55, N 4, 2005,(1997)

55) J.P. Perdew, K.Burke, M.Ernzerhof, Phys.Rev.Lett. 77 3865 (1996)

56) M.C. Payne, M.P. Teter, D.C. Allan, T.A. Arias, and J.D. Joannopoulus. Iterative minimization techniques for ab-initio total-energy calculations: molecular dynamics and conjugate gradients. Rev. Mod. Phys., 64:1045ñ1077, 1992.

57) P. E. Blochl, O. Jepsen, O.K. Andersen, Phys. Rev. B, 49, 23, 16223, 1994

58) Hendrik J. Monkhorst, James D. Pack, Special points for Brillouin-zone integrations, Phys. Rev. B 13, 5188 (1976)

59) N. V. Skorodumova, et al., Phys. Rev. B 67 121404 (R) (2003)

60) C. Untiedt, A.I. Yanson, R. Grande, G. Rubio-Bollinger, N. Agraït, S. Vieira, and J.M. van Ruitenbeek., Calibration of the length of a chain of single gold atoms, Phys. Rev. B 66, 085418 (2002)

61) I. K. Yanson et al., Phys. Rev. Lett. 95, 256806 (2005); G. Rubio-Bollinger et al Phys. Rev. B 67, 121407(R) (2003)

62) V. S. Stepanyuk, W. Hergert Phys. Rev. B 62, 7542, (2000)

63) Г.А. Миронова, Конденсированное состояние вещества: от структурных единиц до живой материи. Т.1. М.: Физический факультет МГУ, (2004)

64) V. Rodrigues, T. Fuhrer, D. Ugarte, Signature of Atomic Structure in the Quantum Conductance of Gold Nanowires, Phys. Rev. Lett., 85(19)4124, (2000).

65) V. Rodrigues, D. Ugarte, Phys. Rev B, ( 63 ), 073405 (2001), Real-time imaging of atomistic process in one-atom-thick metal junctions.