Оглавление
Введение..............................................................4
Глава 1. Формирование и рост наноструктур, их магнитные свойства: экспериментальные и теоретические подходы к исследованию
1.1 Рост наноструктур
1.1.1 Подходы к формированию наноструктур..................7
1.1.2 Создание наноструктур на атомном уровне (с помощью сканирующего туннельного микроскопа)......................13
1.1.3 Самоорганизация атомов при высоких температурах. Нанокластсры..............................................18
1.1.4 Влияние свободных поверхностных электронов на межатомные взаимодействия: непрямое дальнодействующее взаимодействие..........................19
1.1.5 Формирование наноструктур в процессе самоорганизации...........................................22
1.1.6 Квантовый копфайнмент...............................27
1.2 Магнитные свойства металлических наноструктур на поверхности металлов
1.2.1 Магнитная анизотропия отдельных атомов и кластеров.. 30
1.2.2 Магнетизм в одномерном случае. Теорема Мермина-Вагнера...................................................32
1.2.3 Стабильные ферромагнитные структуры. Явление гистерезиса...............................................33
Постановка задачи....................................................37
Глава 2. Методы моделирования роста наноструктур и исследования их магнитных свойств
2.1 Диффузия атомов на поверхности (111) при низких температурах...................................................38
2.2 Кинетический метод Монте-Карло для моделирования роста наноструктур...................................................45
2.3 Гамильтониан системы магнитных единиц с магнитной анизотропией во внешнем магнитном поле........................ 51
2.4 Кинетический метод Монте-Карло для исследования магнитных свойств систем с магнитной анизотропией........................53
2
Глава 3. Самоорганизация металлических атомов на поверхности металла вблизи границ нанокластеров
3.1 Квантовый конфайнмент и электронные взаимодействия атомов на поверхности металла вблизи границ наиокластсров.................58
3.2 Диффузия атома на кластере и в его окрестности. Возникновение разрешенных и запрещенных зон...................................64
3.3 Низкотемпературная самоорганизация атомов на металлической поверхности (111) при наличии нанокластеров.....................68
3.4 Размерный эффект в процессе роста наноструктур вблизи границ нанокластеров...................................................73
3.5Самоорганизация атомов Cs на поверхности Ag (111) при наличии
на ней кластеров.............................................76
Глава 4. Магнитные свойства одно- и двумерных наноструктур, стабилизированных свободным электронным газом
4.1 Магнитные наноструктуры, стабилизированные
дальнодействующим взаимодействием............................83
4.2 Исследование магнитных свойств одномерных
атомных структур............................................86
4.3 Исследование магнитных свойств двумерных
атомных структур............................................89
4.4 Эффект квантового туннелирования..........................92
Глава 5. Высокотемперату рный ферромагнетизм нанокластеров (наноточек) на поверхности металлов.
5.1 Виды взаимодействия между нанокластерами: диполь дипольное взаимодействие и непрямое взаимодействие через двумерный электронный газ поверхности металла.............................98
5.2 Изучение релаксации намагниченности системы кластеров Исследование зависимости коэрцитивной силы от температуры и энергии магнитной анизотропии нанокластеров..............104
5.3 Исследование зависимости коэрцитивной силы от температуры и энергии магнитной анизотропии............................108
Основные результаты и выводы........................................111
Список публикация но теме диссертации.............................. 113
Литература..........................................................115
Введение.
Бурное развитие науки и автоматизации в 19 и 20 веках положило начало гонке по изобретению электронных приборов. Без создания полевого транзистора в 1920х годах не возможно было бы представить современные телефоны, телевидение, космические спутники и, разумеется, ЭВМ. Все эти столетия требования, предъявляемые человечеством к производительности электронных приборов, возрастали и возрастают с каждым годом в геометрической прогрессии. Всегда находятся новые задачи, с которыми современная техника уже не справляется за необходимый интервал времени. В целом, все задачи, ставящиеся технологам и производителям ЭВМ можно свести к одной главной — это увеличение количества элементов (транзисторов) на единице площади [1]. Это приводит к повышению скорости обработки информации и уменьшению объемов запоминающих устройств. Но у любой технологии есть пределы производства. По прогнозам на сегодняшний день, предел количества элементов, входящих в интегральные микросхемы и модули для хранения информации, будет достигнут уже к 2014 году из-за особенностей, а скорее, недостатков методов производства, например, таких как литография. Как же преодолеть этот барьер?
Почти 50 лет назад Нобелевский лауреат по физике Ричард Фейнман прочитал знаменитую лекцию под названием «Внизу полным полно места». Физик предложил новый подход к созданию структур, из которых состоят современные микропроцессоры [1]. Новизной подхода стала идея о манипулировании отдельными атомами. Он предложил конструировать из атомов необходимые элементы микросхем, как из кирпичиков строится здание. Также Фейнман указал на необходимость создания нового класса измерительных и рабочих приборов, требуемых для прямой работы с атомами. Так появилось новое направление в физике, именуемое «нанофизика».
4
Параллельно с развитием теоретической части нанофизики, появлением теории функционала плотности для объяснений новых физических явлений в наномасштабах, к 1980м годам появляется сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) - прибор, который позволяет получать изображения отдельных атомов на подложке, и даже манипулировать ими. К концу 20го века уже становится понятным, что для конструирования, о котором говорил Фейнман, можно использовать не только СТМ, но и естественные процессы роста и самоорганизации атомов на металлической подложке. Таким образом, можно получать плотноупакованные нанокластеры, линейные наноструктуры, дендриты, квантовые точки т.д. Открытие поверхностных состояний на подложках с упаковкой (111) при низких температурах произвело настоящий бум в нанофизике. Ученые обнаружили, что металлические атомы при низких температурах могут взаимодействовать друг с другом на расстояниях вплоть до 60 А, а эффект квантового конфайнмента, возникающий в замкнутых наноструктурах, приводит к анизотропии атомной диффузии внутри этих структур. Во многих работах конца 20 - начала 21 века показано, что действие этих эффектов приводит к формированию разнообразных стабильных наноструктур: «разжиженных» атомных наноостровов, атомных цепочек вдоль ступеней поверхности, шестиугольных орбит вокруг нанокластеров. Особое внимание уделяется магнетизму получающихся наноструктур. Эксперименты и теоретические исследования показывают, что низкоразмерные структуры могут обладать повышенным магнитным моментом и энергией магнитной анизотропии, что также может быть использовано для создания приборов хранения информации.
При изучении физических свойств наноструктур всегда необходимо исследовать условия, для которых тот, или иной эффект, соответствующий данной системе сохраняется. Например, физические свойства могут сильно изменяться в зависимости от размеров наноструктур, явлений атомных
5
релаксаций подложки, типов напыленных атомов и материала самой подложки и, разумеется, температуры поверхности.
Настоящая работа посвящена изучению процессов самоорганизации металлических атомов на поверхности типа (111), обусловленных поверхностными состояниями электронов подложки, а также исследованию магнитных свойств низкоразмерных наноструктур, стабилизированных свободным электронным газом поверхности металлов типа (111).
Структура диссертации:
Глава I содержит литературный обзор, посвященный современным теоретическим и экспериментальным методам формирования наноструктур и исследованию их магнитных свойств.
Глава 2 посвящена описанию работы программных комплексов для исследования магнитных свойств низкоразмерных наноструктур и для моделирования самоорганизации металлических атомов на поверхности типа (111) в присутствии нанокластеров.
В Главе 3 обсуждаются результаты моделирования самоорганизации атомов меди на поверхности медного нанокластера и около него, в условиях эффекта квантового конфайнмента.
В Главе 4 при помощи разработанного комплекса программ исследуются ферромагнитные свойства одномерных цепочек атомов и двумерных гексагональных массивов атомов.
В Главе 5 исследуется высокотемпературный ферромагнетизм железных наночастиц на поверхности меди (111).
В заключении сформулированы основные результаты и выводы.
6
Глава 1
Формирование и рост наноструктур, их магнитные свойства: экспериментальные и теоретические подходы к исследованию
1.1. Рост наноструктур
1.1.1. Подходы к формированию наноструктур
Одной из основных целей нанотехнологий на сегодняшний день является создание и использование структур, приборов и систем, размер которых меньше 100 нм. После изобретения сканирующего туннельного микроскопа появилась возможность получать изображения отдельных молекул и атомов, а также манипулировать ими [1-12]. Также для создания наноструктур можно эффективно использовать и процессы самоорганизации атомов на подложке. Последний метод гораздо менее трудоемкий, но для его применения необходимы глубокие теоретические исследования.
В современном мире существует два основных подхода к созданию различных стабильных систем на подложках: «сверху-вниз» и «снизу-вверх». Приведем краткое описание подхода «снизу-вверх», согласно, представлениям, существующим на сегодняшний день.
7
Возникновение современной технологии полупроводниковых приборов относится к 1957-1958 гг., когда были открыты локальная диффузия по оксидной маске и фотолитография. Сочетание этих методов заложило основу планарной (plane - плоскость) технологии полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. В настоящее время она является доминирующей технологией полупроводникового производства.
Формирование структуры прибора происходит при групповой обработке, которая состоит из процессов эпитаксии, окисления, фотолитографии и технохимической обработки, введения примесей, вакуумного напыления.
Окисление эпитаксиальных кремниевых пластин может производиться различными способами, но основной целью данного процесса является создание защитного слоя из оксида кремния, на основе которого впоследствии формируется рисунок.
Электрические и эксплуатационные характеристики изготовляемых микроэлектронных приборов неразрывно связаны с размерами элементов и их взаимным расположением. Фотолитография является основным и практически единственным способом прецизионной локальной микрообработки, применяемым для получения необходимых размеров и конфигураций элементов ИМС. Фотолитография состоит из совокупности целого ряда физических, фотохимических и химических процессов и используется для создания защитного рельефа (маски) на поверхности полупроводниковой пластины. Иными словами, фотолитография является подготовительным мероприятием для процесса введения примеси.
Введение примеси в полупроводник может осуществляться как в процессе локальной диффузии, так и в результате ионной имплантации. Различные способы диффузионного легирования различаются фазовым состоянием легирующей примеси (газообразное, жидкое, твердое), подводом примеси к подложке и конструкцией установок. В большинстве случаев, диффузию проводят в окислительной атмосфере. Диффузия в
полупроводник, как правило, происходит за счет перемещения диффундирующих частиц, по вакантным узлам кристаллической решетки. Кроме этого, возможен прямой обмен атомов местами в узлах кристаллической решетки, и перемещение атомов по междоузлиям.
Также одним из эффективных способов создания р-п-переходов является ионное легирование. Ионы легирующего вещества, обладающие высокой энергией, направляются на поверхность полупроводника и внедряются в его кристаллическую решетку. При этом ионы вызывают каскад смещений атомов полупроводника, приводя к образованию аморфизированных областей, в которых кристаллическая структура решетки нарушена.
Для получения высокой концентрации активных примесей (помещения их в узлы кристаллической решетки) и восстановления кристаллической структуры полупроводника после ионного легирования требуется отжиг, который проводят при 400-700°С. Внедренные и смещенные атомы при этих температурах приобретают подвижность, достаточную для перехода в вакантные узлы и упорядочения структуры.
Все эти методы успешно применяются при создании современных полупроводниковых систем высокой степени интеграции. Тем нс менее, у этой технологии есть свои ограничения, не позволяющие создавать элементарные структуры размерами менее 100 нм. Поэтому последние десятилетия особое внимание уделяется теоретическим и экспериментальным исследованиям процессов, происходящих в наномасштабах, т.е. реализации подхода «снизу-вверх».
9
mm
I
pm -4
nm
Рис. 1.1: Иллюстрация двух подходов для создания структур. [1]
Kinetics
Thermodynamics'
_0
г
Рис. 1.2: Виды роста атомов на поверхности при различных процессах. [1]
10
- Київ+380960830922