Квантові та структурнорозмірні ефекти в сегнетоелектричних і феромагнітних наносистемах

Оцінка виразу (19) для типових одновісних магнітних плівок і стану ЦМД, що розглядається, дає такі значення критичних параметрів процесу

~ , , (20)

при цьому величина магнітного поля має задовольняти нерівності: .

З аналізу виразу (20) слідує, що величина зменшується із зростанням поля . Така тенденція якісно узгоджується з тим, що збільшення стабілізуючого БЛ поля одночасно призводить до руху БТ вздовж вісі OZ до основи домену (в нашому розгляді ? верхнього). В цьому випадку, за рахунок “стрибка” енергії розмагнічування ДС поблизу поверхні плівки, стійкість системи понижується, що і знаходить своє відображення в зменшенні значень критичних магнітних полів .

Характерно, що утворення нових вертикальних БЛ в ДС домену шляхом збудження резонансних коливань БЛ потребує значення амплітуди магнітного поля ? (див. (20)). Ця величина є меншою за значення критичного магнітного поля , що відповідає генерації БЛ під дією сталого магнітного поля . При цьому формування в ДС нових вертикальних БЛ в нашому випадку є лінійний за швидкістю БЛ процес, тоді як утворення БЛ, спричинене полем , обумовлено врахуванням в рівнянні динаміки БЛ нелінійних за її швидкістю доданків.

Шостий розділ “Квантове тунелювання через дефект доменної стінки з наявною субструктурою в одновісних магнітних плівках з сильною магнітною анізотропією” присвячений вивченню процесу тунелювання субструктурних наноутворень ДС - вертикальної БЛ та блохівської точки через дефект в доменній стінці ЦМД. При дослідження даного питання до БЛ і БТ застосовувався “квазічастинковий” підхід, який базується на наявності в них ефективної маси та можливості опису їх динаміки відповідними функціями Лагранжа. Проведемо виклад вищезазначеної проблеми для БЛ. Висновки з розгляду питання відносно квантового тунелювання БТ ми наведемо та обговоримо нижче.

В обраній системі координат (див. розд. 5) функція Лагранжу вертикальної блохівської лінії в ДС циліндричного магнітного домену має наступний вигляд

, (21)

де y - зміщення центру БЛ, ? потенціал взаємодії БЛ з дефектом та зовнішнім магнітним полем , напрямленим протилежно полю дефекту.

Виходячи із загальних положень щодо структури дефекту та абстрагуючись від його конкретної специфікації, потенціал , між координатами бар'єру можна записати у вигляді

, (22)

де ? коерцитивна сила дефекту, .

Крім того, потенціал (22) задовольняє умові нормування: = 0, при , , де = 0 і ? координати потенціального бар'єру.

Слідуючи основним засадам ВКБ методу, амплітуду тунелювання БЛ знаходимо за формулою

, (23)

де , ? швидкість руху БЛ.

Після варіювання функції Лагранжу (21) за координатою центру БЛ, з врахуванням (22), (23), та інтегрування отриманого диференціального рівняння з граничною умовою, що відповідає закріпленню БЛ на дефекті у відсутності магнітного поля, вираз для запишеться в вигляді

. (24)

В силу того, що визначається спектром коливань домену, із (24) слідує, що спектром коливань домену визначається і ймовірність тунелювання БЛ. Не обмежуючи загалу, розглянемо стан ЦМД близький до еліптичної нестійкості, тоді із (24), з врахуванням (22), при (такі величини полів понижують потенціальний бар'єр, що сприяє процесу тунелювання БЛ), знаходимо показник експоненти в (23)

, (25)

де , ? енергія (на одиницю довжини) статичної БЛ, ? довжина тунелюючої ділянки БЛ.

Зазначимо, що умова , разом з , забезпечує також виконання співвідношення . В такому випадку можна знехтувати при тунелюванні зміною форми БЛ і розглядати поставлену задачу на основі статичного розподілу вектору намагніченості в БЛ, але вже з динамічними змінними.

Оцінка виразу (25) для , де = 10нм² - площа ділянки ДС, що здійснює тунелювання, дає такі значення: ~ 1 при , і ? 1 для . В той же час, аналіз виразу (25) показує зменшення ймовірності тунелювання (величина - збільшується) із зростанням коерцитивної сили дефекту. Так, , при і для і . Оскільки квантове тунелювання магнітних наносистем є реальним, якщо показник експоненти в (25) не перевищує 30 (що обумовлено експериментальними можливостями реєстрації процесу тунелювання), то слід вказати на можливість здійснення даного ефекту, який в свою чергу відбувається шляхом квантових флуктуаційних зміщень малих ділянок довжини БЛ. Температура , при якій є актуальний квантовий режим (температура кросоверу) руху вертикальної БЛ, може бути отримана із співвідношення , де ? максимальне значення потенціалу (22). Визначаючи далі із формули (22) , остаточно знаходимо

. (26)

Оцінка виразу (26) для одновісних магнітних плівок з фактором якості дає: К, при , і К, при , .

Використовуючи формулу (24) та аналогічну формулу, яка описує ймовірність квантового тунелювання ДС, для параметрів плівки та домену вказаних вище, знаходимо, що квантове тунелювання ділянки ДС, що містить вертикальну БЛ можливо, при умові якщо ? площа ділянки ДС, яка здійснює процес тунелювання, задовольняє наступному співвідношенню , де визначено вище при обчисленні формули (25), ? ефективна маса ДС.

В свою чергу, відповідний розгляд питання тунелювання БТ через дефект в ДС домену, дає наступні вирази для ймовірності тунелювання і температури даного процесу

, . (27)

Для типових одновісних магнітних плівок і коерцитивної сили дефекту із (27) знаходимо: ~ 1ч24, K. Отримана оцінка вказує на можливість здійснення квантового тунелювання БТ. При цьому, на відміну від тунелювання ДС і блохівської лінії, процес тунелювання БТ відбувається не шляхом квантових переміщень через потенціальний бар'єр малих ділянок площі (ДС), або довжини (БЛ), а шляхом переносу через бар'єр відразу всієї ефективної маси квазічастинки. Відмінність проходження через потенціальний бар'єр БТ і доменної стінки та БЛ є наслідком впливу на тунелювання розмірного фактору квазічастинок. Так, характерний розмір БТ складає ~ . В той же час характерні масштаби ДС і БЛ більші і складають ? ( ? довжина плівки вздовж вісі OY обраної системи координат) і відповідно. В такому випадку подолання потенціального бар'єру ДС або БЛ потребує послідовних квантових переміщень малих ділянок (площі та довжини відповідно) цих нанооб'єктів.

Зауважимо, що оскільки ми розглядали БТ в центрі домену, а її характерний розмір , то впливом поверхневих ефектів (саме наявність на поверхні домену магнітних зарядів обумовлює відповідний спектр коливань домену) можна знехтувати і вважати, що маса БТ (в першому наближенні) не залежить від спектру. Цей результат знаходить відповідне відображення і в отриманих виразах (27) для ймовірності тунелювання БТ і температури процесу, в яких частота власних коливань домену безпосередньо не фігурує.

Зазначимо також, що в місці знаходження блохівської точки ефективна маса ДС більша за ефективну масу БТ в разів (), тобто, внесок БТ в ймовірність тунелювання цієї ділянки ДС є нехтовно малим. Тому, слід заключити, що депінінг ДС, яка містить БТ, шляхом квантового тунелювання в магнітному полі, прикладеному вздовж вісі OZ обраної системи координат, має місце і при наявності в ДС цього субструктурного наноутворення.

Із аналізу виразів (25) ? (27) неважко бачити, що при зростанні коерцитивної сили дефекту, температури і зростають, останнє ж є наслідком збільшення висоти потенціального бар'єру, подолання якого характеризується більшими температурами. Навпаки, зростання значень діючих на дані наноутворення магнітних полів (параметри , зменшуються), сприяє процесу тунелювання БЛ і БТ, що і відображується в більш низьких значеннях температур квантового режиму руху.

Дослідження впливу процесу дисипації на тунелювання БЛ і БТ показує, що для магнітних плівок, в яких забезпечено значення рухливості зазначених субструктурних наноутворень ДС в діапазоні: м/(c•Aм^-1) для БЛ і м/(c•Aм^-1) для БТ, даним фактором на ймовірність тунелювання елементів внутрішньої структури ДС можна знехтувати.

Співставлення величин і з температурою кросоверу для ДС, яка здійснює тунелювання, показує, що температури кросоверу цих об'єктів знаходяться в одному субгєлієвому діапазоні. Даний результат свідчить, що для складних дефектів, які спричинюють коерцитивне поле не тільки вздовж вісі магнітної анізотропії, але і вздовж перпендикулярної до неї площини, може мати місце поряд з тунелюванням ДС і квантове тунелювання її субструктурних наноутворень - БЛ і БТ.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі встановлені закономірності зміни параметрів порядку в наносистемах різної природи таких як феромагнітні наночастинки, субструктурні неоднорідності доменних стінок (ДС) в феромагнітних та сегнетоелектричних плівках (СЕ), для квантових та структурнорозмірних явищ. В результаті була вирішена важлива наукова проблема фізики твердого тіла щодо визначення зв'язку між розмірами та особливостями внутрішньої структури наносистем, та їх магнітними і електричними властивостями. Основними науковими і практичними результатами є такі:

1. Досліджено залежність енергії когезії наночастинок Ni від особливостей їх просторової атомної структури та визначено, що енергетично стабільними є кластери, в яких кількість атомів відповідає атомним конфігураціям з повністю заповненими координаційними сферами. Встановлено, що наночастинки Ni зі структурою ікосаедра з кількістю атомів N = 13, 55, 147, 309 є більш енергетично стабільними, ніж відповідні частинки з ГЦК структурою. Остання, в свою чергу реалізується у кластерів Ni з N ? 321 атомів.

2. Побудовано формалізм вивчення магнітних властивостей феромагнітних наночастинок, який дозволяє, на основі відомих просторової атомної структури кластеру та його атомного магнітного моменту, з використанням чисельного методу Монте-Карло, знаходити вісі легкого намагнічування, обчислювати енергію магнітної анізотропії, моделювати процес технічного намагнічування наночастинок. Визначено, що для ікосаедричних і ГЦК кластерів вісі легкого намагнічування є поворотні вісі симетрії їх просторових субодиниць: вісь п'ятого порядку ікосаедру та другого порядку кубооктаедру відповідно. Для наночастинок Ni визначено енергію магнітної анізотропії та показано, що при переході від кластерів зі структурою ікосаедра до ГЦК наночастинок величина енергії магнітної анізотропії зазнає “стрибок”, спричинений різними типами симетрії просторових атомних структур наночастинок. Даний ефект також має місце і для значень критичних магнітних полів і коерцитивної сили кластерів.

Виходячи із розробленого формалізму досліджено процес технічного намагнічування кластерів Ni та встановлено, що наночастинки Ni зі структурою ікосаедру є більш магнітом'які матеріали, ніж ГЦК кластери.

3. Вивчено процес релаксації магнітних моментів феромагнітних наночастинок з врахуванням їх просторової атомної структури та показано, що час релаксації магнітних моментів зазнає “стрибок” при зміні типу симетрії атомних структур наночастинок різної природи. Так для кластерів Ni такий “стрибок” має місце при переході від ікосаедричної (N = 309) до ГЦК (N = 321) атомної структури. Визначено, що вплив енергії магнітної анізотропії наночастинок найбільш істотно впливає на час релаксації в наступному інтервалі температур Т і магнітних полів Н: K, , де ? критичне магнітне поле наночастинки.

Для наночастинок Ni визначено області існування феро ? та суперпарамагнітних станів та показана можливість одночасного спостереження ансамблів наночастинок як з однаковою, так і відмінними просторовим атомними структурами в різних фазових станах. Встановлено наявність “стрибка” у значеннях температури блокування при переході між системами кластерів Ni з різними атомними будовами.

4. Визначені температура кросоверу та швидкість квантових флуктуацій магнітних моментів кластерів з врахуванням їх атомної структури. Встановлено, що температура кросоверу зазнає “стрибок” при переході між наночастинками з різними типами просторових атомних структур. Показано, що варіюючи величину зовнішнього магнітного поля, яке прикладається перпендикулярно до осей легкого намагнічування кластерів, можна не тільки впливати на процес квантового тунелювання, але й змінювати в досить широкому діапазоні фізичні параметри, що його характеризують. Встановлено, що збільшення величини магнітного поля зменшує температуру кросоверу та збільшує швидкість квантових флуктуацій магнітних моментів.

Показано, що швидкість квантових магнітних флуктуацій ГЦК кластерів Ni менша за відповідну величину для ікосаедричних частинок і може значно відрізнятись для величин зовнішніх магнітних полів близьких до критичних магнітних полів кластерів. За цих умов характерний час перемагнічування ГЦК частинок складає ~ с, тоді як перемагнічування ікосаедричних кластерів здійснюється за с.

5. Вивчено вплив поля деполяризації, обумовленого поверхнею плівки СЕ, що містить доменну стінку на поведінку вектору поляризації в ДС. Встановлено, що дія цього поля, призводить до появи, нормальної до площини стінки компоненти вектору поляризації ДС, величина якої максимальна поблизу поверхні плівки. Визначено, що поле деполяризації плівки зменшує величину поляризації домену та змінює ширину ДС, збільшуючи її значення в приповерхневому шарі плівки.

6. Встановлено, що додаткова поляризація ДС, спричинена полем деполяризації СЕ плівки, призводить до залежності ефективної маси та рухливості ДС від товщини плівки. Останнє вказує, що ДС в плівці СЕ не можна розглядати плоскою. Визначено, що додаткова поляризація ДС обумовлює “зсув” частоти власних коливань стінки, величина якого максимальна в приповерхневому шарі плівки і для нанорозмірних плівок BaTiO₃ складає ~ МГц.

7. Встановлено, що величина субструктурного наноутворення доменної стінки, обумовлена поверхнею СЕ плівки, яка має провідність, зменшується з часом. Для нанорозмірних плівок BaTiO₃ знайдено, що характерний час, за який величина додаткової поляризації ДС стає меншою на порядок, складає ~c. Визначено, що провідність плівки зменшує також величину “зсуву” частоти власних коливань доменної стінки.

8. Досліджено динамічні властивості ДС зі складною внутрішньою структурою, що характеризується наявністю субструктурних наноутворень - вертикальних блохівських ліній (БЛ) і блохівських точок (БТ) в магнітних плівках з сильною, перпендикулярною площині плівки магнітною анізотропією. Визначено, що наявність в ДС циліндричного магнітного домену БТ зменшує частоту власних коливань блохівської лінії по відношенню до доменної стінки без БТ. При цьому для ДС, яка містить блохівську точку: (, - зовнішнє магнітне поле, що стабілізує БЛ в доменній стінці домену, - намагніченість плівки).

Показана можливість резонансного збудження коливань БЛ зовнішнім змінним магнітним полем. Доведено, що такі коливання призводять до динамічної нестійкості в системі ДС?БЛ?БТ. Наслідком цієї нестійкості є формування в ДС нових субструктурних наноутворень - вертикальних БЛ. Для типових магнітних плівок знайдені критичні амплітуди зовнішніх магнітних полів, що спричиняють даний процес. Встановлено, що наявність в ДС блохівської точки протидіє нестійкості структури ДС відносно формування в неї нових БЛ.

Визначено, що генерація в ДС нових вертикальних БЛ шляхом збудження резонансних коливань БЛ потребує менших величин магнітних полів, ніж у випадку руху БЛ під дією сталого магнітного поля.

9. Доказана можливість квантового тунелювання субструктурного наноутворення ДС - вертикальної БЛ через дефект в ДС циліндричного магнітного домену. При цьому сам процес здійснюється шляхом квантових флуктуаційних зміщень окремих малих ділянок БЛ. Знайдено, що температура кросоверу переходу до квантового режиму руху БЛ та ймовірність тунелювання БЛ визначаються спектром власних коливань домену.

Показано, що збільшення коерцитивної сили дефекту призводить до збільшення , що є наслідком зростання “висоти” потенціального бар'єру, процес тунелювання через який характеризується більш високими температурами.

10. Доказана можливість квантового тунелювання БТ через дефект в ДС циліндричного магнітного домену. Визначено, що процес тунелювання БТ, на відміну від тунелювання ДС і БЛ, відбувається шляхом “переносу” через потенціальний бар'єр відразу всієї ефективної маси квазічастинки. Показана можливість квантового тунелювання ділянок доменної стінки, які містять БЛ і БТ.

Встановлено, що значення температур кросоверу для БЛ і БТ знаходяться в одному (субгелієвому) діапазоні температур з відповідною температурою для ДС, яка здійснює тунелювання через дефект ДС домену. Даний результат вказує, що для дефектів, які обумовлюють коерцитивне магнітне поле не тільки вздовж вісі магнітної анізотропії, але і в перпендикулярній до неї площині, має місце поряд з тунелюванням ДС, квантове тунелювання її субструктурних наноутворень - БЛ і БТ. Експериментальна реалізація цього ефекту є відповідною основою для розвитку нових квантових методів діагностики та дослідження складних дефектів і неоднорідностей в магнітних плівках.

Вивчено вплив процесу дисипації на тунелювання БЛ і БТ. Визначено, що для магнітних плівок, в яких забезпечено значення рухливості вказаних субструктурних наноутворень ДС в діапазоні: м/(c•Aм^-1) для БЛ і м/(c•Aм^-1) для БТ, впливом дисипації на ймовірність квантового тунелювання цих елементів внутрішньої структури ДС можна знехтувати.

СПИСОК ОСНОВНИХ ПУБЛІКАЦІЙ ЗДОБУВАЧА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

1. Dorman V.L. Dynamics of domain wall containing a Bloch line / Dorman V.L., Sobolev V.L., Shevchenko A.B. // JMMM. ? 1991. ? Vol. 94, № 3. ? P. 293 ? 301.

2. Dorman V.L. Bloch lines dynamics in domain wall of magnetic bubble / Dorman V.L., Sobolev V.L., Shevchenko A.B. // JMMM. ? 1993. ? Vol. 124, № 1 - 2. ? P. 221 ? 227.

3. Шпак А.П. Магнитные свойства кластеров с пентагональной симметрией / Шпак А.П., Шевченко А.Б. // Металлофиз. новейшие технол. ? 1998. ? Т. 20, № 5. ? С. 30 ? 34.

4. Шпак А.П. Учет влияния поверхности на распределение вектора поляризации в пленках сегнетоэлектриков / Шпак А.П.,. Шевченко А.Б. // Металлофиз. новейшие технол. ? 1999. ? Т. 21, № 4. ? С. 15 ? 19.

5. Shpak A.P. Magnetic properties of Nickel small particles / Shpak A.P., Shevchenko A.B., Melnik A.B. // Materials Science Forum. ? 2001. ? Vol. 373 ? 376. ? P. 47 ? 50.

6. Шпак А.П. Влияние размеров частиц Ni на намагничивание образованных из них тонких пленок / Шпак А.П.,. Шевченко А.Б., Мельник А.Б. // Металлофиз. новейшие технол. ? 2002. ? Т. 24, № 3. ? С. 289 ? 295.

7. Ishchuk V.M. Surface effect on the domain wall structure in ferroelectric film / Ishchuk V.M., Shpak A.P., Shevchenko A.B. // Functional materials. ? 2003. ? Vol. 10, № 1. ? С. 17 ? 22.

8. Шпак А.П. Особенности процессов релаксации магнитных моментов наночастиц Ni / Шпак А.П., Шевченко А.Б., Мельник А.Б. // Металлофиз. новейшие технол. ? 2003. ? Т. 25, № 5. ? С. 553 ? 559.

9. Шпак А.П. Влияние типа пространственной структуры наночастиц Ni на их магнитные свойства / Шпак А.П., Шевченко А.Б., Мельник А.Б. // Металлофиз. новейшие технол. ? 2003. ? Т. 25, № 10. ? С. 1249 ? 1263.

10. Shpak A.P. Peculiarities of magnetic properties of nickel small particles / Shpak A.P., Shevchenko A.B., Melnik A.B. // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології. ? 2004. ? Т.1, № 2. ? С. 637 ? 642.

11. Шпак А.П. Влияние типа пространственной структуры наночастиц никеля на их техническое намагничивание / Шпак А.П., Шевченко А.Б., Мельник А.Б. // ЖТФ. ? 2004. ? Т. 74, № 3. ? С. 81 ? 82.

12. Шпак А.П. Влияние субструктурных нанообразований доменной границы цилиндрического магнитного домена на ее динамику во внешних магнитных полях / Шпак А.П., Шевченко А.Б. // Металлофиз. новейшие технол. ? 2004. ? Т. 26, № 12. ? С. 1601 ? 1609.

13. Шпак А.П. Оценка механического напряжения в Ni₂MnGa, вызываемого внешним магнитным полем / Шпак А.П., Шевченко А.Б., Мельник А.Б. // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології. ? 2005. ? Т. 3, № 2. ? С. 563 ? 565.

14. Шпак А.П. Реальная 180° ? доменная граница в тонких пленках сегнетоэлектриков / Шпак А.П., Шевченко А.Б., Куницкий Ю.А. // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології. ? 2005. ? Т. 3, № 3. ? С. 843 ? 847.

15. Шпак А.П. Квантовые флуктуации магнитных моментов наночастиц никеля / Шпак А.П., Шевченко А.Б. // Металлофиз. новейшие технол. ? 2005. ? Т. 27, № 7. ? С. 969 ? 975.

16. Шпак А.П. Особенности строения доменной границы в пленках сегнетоэлектриков / Шпак А.П., Шевченко А.Б., Куницкий Ю.А. // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології. ? 2006. ? Т. 4, № 1. ? С. 237 ? 243.

17. Шпак А.П. Квантовое туннелирование блоховской линии в одноосных магнитных пленках с сильной магнитной анизотропией / Шпак А.П., Шевченко А.Б. // Металлофиз. новейшие технол. ? 2006. ? Т. 28, № 12. ? С. 1581 ? 1587.

18. Шевченко А.Б. Влияние особенностей атомной структуры наночастиц Ni на квантовые флуктуации их магнитных моментов / Шевченко А.Б., Мельник А.Б. // ЖТФ. ? 2006. ? Т.76, № 5. ? С. 140 ? 142.

19. Шевченко А.Б. Квантовое туннелирование блоховской линии в доменной границе цилиндрического магнитного домена / Шевченко А.Б. // ЖТФ. ? 2007. ? Т. 77, № 10. ? С. 128 ? 130.

20. Shpak A.P. Quantum fluctuations of magnetic moments of nickel nanoparticles with various spatial atomic structures / Shpak A.P., Shevchenko A.B., Melnik A.B. // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології. ? 2007. ? Т. 5, № 1. ? С. 17 ? 24.

21. Шпак А.П. Квантовое туннелирование блоховской точки в доменной границе цилиндрического магнитного домена / Шпак А.П., Шевченко А.Б., Куницкий Ю.А. // Металлофиз. новейшие технол. ? 2007. - Т. 29, № 12. - С. 1579 - 1586.

22. Шпак А.П. Квантовое туннелирование субструктурных нанообразований доменной границы в реальных магнитных пленках с высоким фактором качества / Шпак А.П., Шевченко А.Б., Куницкий Ю.А. // Металлофиз. новейшие технол. ? 2008. ? Т. 30, № 6. ? С. 1315 ? 1324.

23. Magnetic properties of small ferromagnetic particles of the various symmetry: матеріали 8 міжнародної конференції EMMA ? 2000, “8^th European Magnetic Materials and Applications Conference (Київ, 7 - 10 червня 2000р.) / Shpak A.P., Shevchenko A.B., Melnik A.B. Київ, 2000р., P. 34.

24. Shpak A.P. Magnetization of nickel small particles / Shpak A.P., Shevchenko A.B., Melnik A.B. // VDI Berichte. ? 2003. ? № 1803. ? Р. 191 ? 194.

25. Влияние субструктурных образований вектора намагниченности пленки на динамику доменной границы цилиндрического магнитного домена: матеріали конференції НАНСИС ? 2004, “Нанорозмірні системи. Електронна, атомна будова і властивості” (Київ, 12 - 14 жовтня 2004р.) / Шпак А.П., Шевченко А.Б., Куницкий Ю.А. Київ, 2004р., С. 303.

26. Influence of nickel nanoparticles atomic structure on quantum fluctuations of their magnetic moments: матеріали міжнародної конференції CNM ? 2006, “Clusters and Nanostructured Matrials” (Ужгород, 9 - 12 жовтня 2006р.) / Shpak A.P., Shevchenko A.B., Melnik A.B. Ужгород, 2006р., P. 266 ? 267.

27. Ferroelectric film surface influence on vector polarization in domain wall: матеріали міжнародної конференції CNM ? 2006, “Clusters and Nanostructured Matrials” (Ужгород, 9 - 12 жовтня 2006р.) / Shpak A.P., Shevchenko A.B., Kynitskiy Yu.A. Ужгород, 2006р., P. 372.

28. Квантове тунелювання лінії блоха в тонких магнітних плівках з одноосною магнітною анізотропією: матеріали XI міжнародної конференції МКФТТПН XI “Фізика і технологія тонких плівок та наносистем”, (Івано - Франківськ, 7 - 12 травня 2007р.) / Шпак А.П., Шевченко А.Б., Куницький Ю.А. Івано - Франківськ, 2007р., С. 59 - 60.

29. Квантовое туннелирование субструктурных нанообразований доменной границы в одноосных магнитных пленках: матеріали конференції НАНСИС 2007, “Нанорозмірні системи. Будова - властивості - технології), (Київ, 21 - 23 листопада 2007р.) / Шпак А.П., Шевченко А.Б., Куницкий Ю.А. Київ, 2007р., С. 70.

30. Особенности квантового тунелирования магнитной наноточки: матеріали міжнародної конференції ІСFMMN ? 2008, “Physical and Chemical Principles of Formation and modification of micro - and nanostructures”, (Харків, 10 - 12 листопада 2008р.) / Шпак А.П., Шевченко А.Б., Куницкий Ю.А. Харків, 2008р., С. 446 - 449.

АНОТАЦІЯ

Шевченко А.Б. Квантові та структурнорозмірні ефекти в сегнетоелектричних і феромагнітних наносистемах. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 - фізика твердого тіла. - Інститут металофізики ім.. Г.В. Курдюмова НАН України, Київ, Україна, 2009.

Дисертація присвячена вирішенню проблеми твердого тіла щодо встановлення закономірностей між особливостями внутрішньої структури феромагнітних та сегнетоелектричних наносистем (доменні стінки (ДС) в феромагнітних і сегнетоелектричних (СЕ) плівках, феромагнітні кластери) та їх магнітними і електричними властивостями.

Побудовано формалізм дослідження магнітних властивостей феромагнітних кластерів, що дозволяє за наявними атомним магнітним моментом та відповідною атомною структурою кластеру, знаходити вісі легкого намагнічування, обчислювати енергію магнітної анізотропії, моделювати процес технічного намагнічування кластерів різної атомної будови та розмірів.

Вивчено процес релаксації (термоактивованої та квантової) магнітних моментів феромагнітних наночастинок з урахуванням їх атомної будови та показано, що час релаксації магнітних моментів, швидкість їх магнітних квантових флуктуацій та температура кросоверу зазнають “стрибок” при переході між частинками з різними типами симетрії їх просторових атомних структур. Для кластерів Ni визначено області спостереження феро ? та суперпарамагнітних станів.

Вивчено вплив поля деполяризації, обумовленого поверхнею плівки СЕ, що містить ДС, на поведінку вектору поляризації в ДС. Встановлено, що дія цього поля на решітку СЕ призводить до появи компоненти вектора поляризації ДС, нормальної до площини стінки, величина якої максимальна поблизу поверхні плівки СЕ. Показано, що врахування цього субструктурного наноутворення ДС збільшує ефективну масу ДС та призводить до “зсуву” частоти її власних коливань. Встановлено, що вплив провідності плівки зменшує, додаткову поляризацію ДС, спричинену поверхнею плівки, і величину “зсуву” частоти власних коливань ДС. Для нанорозмірних плівок BaTiO₃ знайдено характерний час, на протязі якого ефект дії поверхні на внутрішню структуру ДС є найбільш актуальний.

Розглянуто динамічні властивості ДС зі складною внутрішньою структурою, що характеризується наявністю субструктурних наноутворень - вертикальних блохівських ліній (БЛ) і блохівських точок (БТ) в магнітних плівках з сильною, перпендикулярною площині плівки магнітною анізотропією. Показана можливість формування шляхом резонансного збудження коливань БЛ зовнішнім змінним магнітним полем на частоті поля, що дорівнює власній частоті коливань БЛ, в ДС домену нових субструктурних наноутворень у вигляді вертикальних БЛ. Визначено, що наявність в ДС блохівської точки, протидіє нестійкості структури ДС відносно утворення в неї нових БЛ.

Показана можливість квантового тунелювання субструктурних наноутворення доменної стінки - вертикальної БЛ і БТ через дефект в ДС циліндричного магнітного домену. Знайдено, що температура переходу до квантового режиму руху БЛ та ймовірність тунелювання БЛ визначаються спектром коливань домену. Встановлено, що процес тунелювання БТ на відміну від тунелювання ДС і БЛ, відбувається шляхом “переносу” через потенціальний бар'єр відразу всієї ефективної маси квазічастинки. Визначено, що значення температури кросоверу БЛ і БТ знаходяться в одному (субгелієвому) діапазоні температур з температурою ДС, яка здійснює тунелювання через дефект домену. Досліджено вплив процесу дисипації на тунелювання БЛ і БТ та отримані умови, при яких ефектом дисипації на тунелювання даних наноутворень можна знехтувати.

Ключові слова: кластер, магнітний момент, просторова атомна структура, феромагнетик, квантове тунелювання, температура кросоверу, внутрішня структура, плівка, поверхня, сегнетоелектрик, доменна стінка, наноутворення, субструктура, вектор поляризації, ефективна маса, намагніченість, блохівська лінія, блохівська точка.

АННОТАЦИЯ

Шевченко А.Б. Квантовые и структурноразмерные эффекты в сегнетоэлектрических и ферромагнитных наносистемах. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук по специальности 01.04.07 - физика твердого тела. Институт металлофизики им. Г.В. Курдюмова НАН Украины, Киев, Украина, 2009.

Диссертация посвящена решению проблемы физики твердого тела по установлению закономерностей между особенностями внутренней структуры ферромагнитных и сегнетоэлектрических наносистем (доменные границы (ДГ) в ферромагнитных и сегнетоэлектрических (СЭ) пленках, ферромагнитные кластеры) и их магнитными, и электрическими свойствами.

Построен формализм изучения магнитных свойств ферромагнитных кластеров, который позволяет по известным атомному магнитному моменту и соответствующей пространственной атомной структуре наночастицы находить оси легкого намагничивания (ОЛН), вычислять энергию магнитной анизотропии, моделировать процесс технического намагничивания кластеров.

В рамках данного формализма установлено, что для икосаэдрических и ГЦК кластеров ОЛН являются поворотные оси симметрии их пространственных субъединиц: поворотная ось пятого порядка икосаэдра и второго порядка кубооктаэдра соответственно. Исследование процесса технического намагничивания наночастиц Ni показывает, что наночастицы со структурой икосаэдра являются более магнитомягкими материалами, чем ГЦК частицы.

Изучен процесс термоактивированной релаксации магнитных моментов ферромагнитных наночастиц с учетом строения их пространственных атомных структур. Показано, что время релаксации магнитных моментов испытывает “скачок” при переходе между частицами с различными типами симметрии их атомных структур. Для ансамблей кластеров Ni определены области наблюдения ферро ? и суперпарамагнитных состояний. Показана возможность одновременного существования наночастиц Ni с отличными пространственными атомными структурами в состояниях с различным магнитным упорядочением.

Исследованы низкотемпературные квантовые флуктуации магнитных моментов ферромагнитных наночастиц с различными атомными структурами. Установлено, что температура кроссовера (температура, которая соответствует квантовому режиму движения магнитного момента) и скорость магнитных квантовых флуктуаций испытывают “скачок” при изменении типа симметрии пространственных атомных структур наночастиц. Для кластеров Ni показано, что скорость магнитных квантовых флуктуаций меньше соответствующей величины для икосаэдрических частиц и может значительно отличаться для величин внешних магнитных полей, прикладываемых перпендикулярно к оси легкого намагничивания кластера для обеспечения флуктуаций, близких к критическим магнитным полям частицы. Установлено, что увеличение значения внешнего магнитного поля уменьшает температуру кроссовера и увеличивает скорость квантовых флуктуаций магнитных моментов наночастиц.

Изучено влияние поля деполяризации, обусловленного поверхностью пленки СЭ, которая содержит ДГ, на поведение вектора поляризации в ДГ. Найдено, что действие этого поля на решетку СЭ приводит к появлению компоненты вектора поляризации ДГ нормальной к плоскости ДГ, величина которой максимальна вблизи поверхности пленки СЭ. Показано, что учет этого субструктурного нанообразования ДГ увеличивает эффективную массу ДГ и приводит к “сдвигу” частоты ее собственных трансляционных колебаний.

Установлено, что проводимость СЭ пленки уменьшает дополнительную поляризацию ДГ, обусловленную учетом поверхности пленки, и соответствующую величину “сдвига” частоты собственных колебаний ДГ. Для наноразмерных пленок BaTiO₃ определено характерное время, на протяжении которого, эффект действия поверхности на внутреннюю структуру ДГ наиболее актуален.

Рассмотрены особенности динамики ДГ со сложной внутренней структурой, которая характеризуется наличием субструктурных нанообразований - вертикальных блоховских линий (БЛ) и блоховских точек (БТ) в магнитных пленках с сильной, перпендикулярной плоскости пленки магнитной анизотропией. Показана возможность формирования в ДГ посредством резонансного возбуждения колебаний БЛ внешним переменным магнитным полем, на частоте поля равной собственной частоте колебаний БЛ, новых субструктурных нанообразований в виде вертикальных БЛ. Определены условия осуществления данного процесса. Установлено, что наличие в доменной границе цилиндрического магнитного домена БТ, в силу большей энергетической устойчивости такого состояния по сравнению с ДГ без БТ, противодействует неустойчивости структуры ДГ, относительно формирования в ней вертикальных БЛ.

Доказана возможность квантового туннелирования субструктурных нанообразований доменной границы - вертикальной БЛ і БТ через дефект в ДГ цилиндрического магнитного домена. Установлено, что температура перехода к квантовому режиму движения БЛ и вероятность туннелирования БЛ зависят от спектра собственных колебаний домена. Найдено, что процесс туннелирования БТ, в отличие от туннелирования ДГ и БЛ, осуществляется посредством “переноса” через потенциальный барьер сразу всей эффективной массы квазичастицы.

Установлено, что значения температуры кроссовера БЛ и БТ находятся в одном субгелиевом диапазоне температур с температурой туннелирующей через дефект ДГ домена. Показано, что увеличение коэрцитивной силы дефекта приводит к возрастанию температуры кроссовера данных нанообъектов.

Показана возможность квантового туннелирования через дефект ДГ, которая характеризуется субструктурой в виде БЛ и БТ.

Исследовано влияние процесса диссипации на туннелирование БЛ и БТ и определены значения подвижностей субструктурных нанообразований, при которых влиянием диссипации на туннелирование БЛ и БТ можно пренебречь.

Ключевые слова: кластер, магнитный момент, пространственная атомная структура, ферромагнетик, квантовое туннелирование, температура кроссовера, пленка, поверхность, сегнетоэлектрик, доменная граница, нанообразование, субструктура, вектор поляризации, эффективная масса, намагниченность, блоховская линия, блоховская точка.

ANNOTATION

Shevchenko A.B. Quantum and structural - size effects in ferroelectric and ferromagnetic nanosystems. - Manuscript.

The dissertation for the scientific degree of Doctor of Science in Physics and Mathematics on specialty 01.04.07 - Solid State Physics. - G.V. Kurdymov Institute of Metal Physics NAS of Ukraine, Kyiv, Ukraine, 2009.

The dissertation is devoted to the physics of solid states problem on establishing of regularities between peculiarities of interior structure of ferromagnetic and ferroelectric nanosystems (domain walls (DW) in ferromagnetic and ferroelectric (FE) films, the ferromagnetic clusters) both their magnetic and electrical properties.

The formalism of study of magnetic properties of the ferromagnetic clusters which allows on known of atomic magnetic moment and corresponding spatial atomic structure of a cluster to find easy magnetization axes, to calculate an energy of a magnetic anisotropy, to modulate process of engineering magnetization clusters is constructed.

Process of relaxation of nanoparticles magnetic moments (thermal and quantum) is investigated in account of their atomic construction. It is shown, that the relaxation time of magnetic moments, magnetic quantum fluctuations rate and crossover temperature exhibits a "step" in going between particles with various types of symmetry of their spatial atomic structures. For Ni clusters regions observation of ferro and superparamagnetic states are determined. The possibility of simultaneous observation of Ni nanoparticles ensembles with various spatial atomic structures in different phase states is shown.

The depolarization field effect caused by film surface FE which contains DW on a vector polarization in DW is studied. It is established that the action of this field on FE lattice results in component's of a vector of polarization DW, normal to plane DW which value is maximum near to film surface. It is shown that the account of this substructure nanoformation of DW increases effective DW mass and causes a “shift” of its oscillations' frequency. It is established that conductivity of FE film increases both additional polarization DW and value of DW oscillations' frequency “shift”. Characteristic time during which, the surface effect on DW interior structure is more actual is determined for nanosized BaTiO₃ films.

The dynamics peculiarities of DW with the complex interior structure which characterized by presence of substructure nanoformations ? vertical Bloch lines (BL) and Bloch points (BP) in magnetic films with the strong, perpendicular to the film plane magnetic anisotropy is considered. The possibility of generation in DW by means of a resonance activation of oscillations BL by the external variable magnetic field on field frequency equal to BL frequency of new substructure nanoformations in the form of BL is shown. It is established that presence in domain wall of magnetic bubble of BT opposes to instability of DW structure to formation of BL.

The possibility of quantum tunneling of substructure nanoformations of domain wall ? vertical BL and BP through the defect of the DW of magnetic bubble is shown. It is established that the crossover temperature to a quantum regime of BL motion and the probability of tunneling BL are determined by an oscillation spectrum of domain. It is found, that process of tunneling BP, as against quantum tunneling of DW and BL, is carried out by means of "transition" through potential energy barrier at once of whole effective mass of a quasiparticle. It is determined that values of both BL and BP crossover temperature are in the same (subhelium) temperature diapason with temperature of tunneling through the defect of the DW of domain. The influence of dissipations process on the quantum tunneling of BL and BP is investigated. The conditions of the effect dissipations neglecting on the tunneling of those nanoformations are obtained.

Keywords; cluster, magnetic moment, spatial atomic structure, ferromagnetic, quantum tunneling, crossover temperature, film, surface, ferroelectric, domain wall, nanoformation, substructure, polarization vector, effective mass, magnetization, bloch line, bloch point.

Підписано до друку 25.09.2009.Формат 60 84/16.

Папір офсетний. Друк ризографічний.

Ум. друк. арк. 2,1. Обл.-вид. арк. 2,1.

Наклад 100 прим. Зам. № 0-37.

Поліграфічна дільниця

Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України

Київ-142, МПС, бульв. Академіка Вернадського, 36

Размещено на Allbest.ru