Алтын және Au–Co қоспасынан жасалған наноконтактілер мен наносымдардың қасиеттерін теориялық зерттеу

Аңдатпа

Бұл жұмыста алтын (Au) және алтын-кобальт (Au–Co) қоспасынан жасалған наноконтактілер мен наносымдардың құрылымдық, электрондық, магниттік және өткізгіштік қасиеттері теориялық тұрғыдан зерттелді. Наноқұрылымдардың атомдық конфигурациясы мен электрондық күй тығыздығы қарастырылып, кобальт атомдарының енгізілуінің материал қасиеттеріне әсері талданды. Зерттеу нәтижелері Au–Co қоспасының таза алтынға қарағанда магниттік қасиеттерге ие болатынын және электрондық тасымалдау сипаттамаларының өзгеретінін көрсетті. Бұл қасиеттер болашақтағы наноэлектроника мен спинтроника құрылғыларында қолдануға мүмкіндік береді.

Түйін сөздер: наноконтакт, наносым, алтын, кобальт, Au–Co қорытпасы, кванттық өткізгіштік, электрондық құрылым, спинтроника.

1 Кіріспе

Соңғы жылдары нанотехнологиялардың қарқынды дамуы нанометрлік өлшемдегі материалдардың қасиеттерін жан-жақты зерттеуге мүмкіндік берді. Наноқұрылымдардың ішінде наносымдар мен наноконтактілер ерекше қызығушылық тудырады, себебі олардың электрлік және магниттік қасиеттері көлемді материалдардан айтарлықтай ерекшеленеді.

Алтын (Au) жоғары электрөткізгіштікке, химиялық тұрақтылыққа және коррозияға төзімділікке ие болғандықтан наноэлектроникада кеңінен қолданылады. Алайда алтын магниттік қасиет көрсетпейді. Кобальт (Co) ферромагниттік металл болғандықтан, алтын құрылымына енгізілген кезде материалдың электрондық және магниттік қасиеттерін өзгерте алады.

Au–Co наноқұрылымдарын зерттеу спинтроника, сенсорлар және кванттық электрондық құрылғылар жасау үшін маңызды ғылыми бағыттардың бірі болып табылады.

2 Зерттеудің теориялық негіздері

Наноқұрылымдардың қасиеттерін зерттеуде кванттық механика мен қатты дене физикасының әдістері пайдаланылады. Электрондардың қозғалысы Шредингер теңдеуі арқылы сипатталады:

Hψ=Eψ

мұндағы:

• (H) – Гамильтон операторы;

• (ψ) – толқындық функция;

• (E) – энергия.

Наноқұрылымдардың электрондық құрылымын есептеу үшін тығыздық функционалы теориясы (DFT – Density Functional Theory) кеңінен қолданылады. Бұл әдіс атомдардың орналасуын және электрондық күй тығыздығын жоғары дәлдікпен анықтауға мүмкіндік береді.

3 Алтын наносымдарының қасиеттері

Алтын наносымдары диаметрі бірнеше нанометр болатын бірөлшемді құрылымдар болып табылады. Олардың негізгі қасиеттері:

3.1 Электрөткізгіштік

Алтын наносымдары кванттық өткізгіштік құбылысын көрсетеді. Өткізгіштік мәні:

G=n

мұндағы:

• (e) – электрон заряды;

• (h) – Планк тұрақтысы;

• (n) – өткізгіш арналар саны.

Бір атомдық алтын тізбегінде өткізгіштік шамамен бір кванттық өткізгіштікке тең болады.

3.2 Механикалық қасиеттер

Алтын атомдары тізбектеліп орналасқан кезде жоғары серпімділік көрсетеді. Наносым үзілу алдында бірнеше атомнан тұратын сызықтық тізбек түзе алады.

3.3 Электрондық құрылым

Алтынның өткізгіштік қасиеті негізінен 6s-электрондарының қозғалысымен анықталады. Сондықтан алтын наносымдары төмен кедергіге ие болады.

4 Au–Co наноқұрылымдарының қасиеттері

Кобальт атомдарының енгізілуі жүйенің электрондық құрылымын өзгертеді.

4.1 Магниттік қасиеттер

Таза алтын диамагниттік материал болса, кобальт ферромагниттік қасиетке ие. Сондықтан Au–Co қорытпасында магниттік момент пайда болады.

Кобальт концентрациясының артуымен:

• магниттелу өседі;

• спиндік поляризация күшейеді;

• магниттік анизотропия жоғарылайды.

4.2 Электрондық күй тығыздығы

Кобальттың d-орбитальдары Ферми деңгейіне жақын орналасады және электрондық күй тығыздығын арттырады.

Нәтижесінде:

• өткізгіштік өзгереді;

• электрондардың шашырауы күшейеді;

• спинге тәуелді тасымалдау байқалады.

4.3 Кванттық өткізгіштік

Au–Co наноконтактілерінде өткізгіштік таза алтынға қарағанда төмен болуы мүмкін, себебі кобальт атомдары қосымша шашырау орталықтарын қалыптастырады.

Сонымен қатар өткізгіштік мәндері электрондардың спин күйіне тәуелді болады, бұл спинтрондық құрылғылар үшін маңызды.

5 Наноконтактілердің теориялық моделі

Наноконтакт екі металл электрод арасындағы атомдық өлшемдегі байланыс ретінде қарастырылады.

Электрондық тасымалдау Ландауэр формуласымен сипатталады:

G=n T( )

мұндағы:

• T( )– Ферми деңгейіндегі электрондардың өту ықтималдығы.

Au–Co наноконтактілерінде кобальт атомдары өткізгіштік арналарының құрылымын өзгертеді, нәтижесінде өткізгіштік пен магниттік қасиеттер арасында өзара байланыс пайда болады.

6 Қолданылу салалары

Au–Co наноқұрылымдары келесі бағыттарда қолданылуы мүмкін:

• наноэлектрондық құрылғылар;

• магниттік жады элементтері;

• спинтрондық транзисторлар;

• биосенсорлар;

• кванттық есептеу элементтері;

• жоғары сезімтал магниттік датчиктер.

Қорытынды

Жүргізілген теориялық талдау алтын және Au–Co қоспасынан жасалған наноконтактілер мен наносымдардың қасиеттері олардың атомдық құрылымына және құрамына тәуелді екенін көрсетті. Таза алтын жоғары электрөткізгіштік пен химиялық тұрақтылыққа ие болса, кобальт атомдарын енгізу материалға магниттік қасиеттер береді және электрондық құрылымын өзгертеді. Au–Co наноқұрылымдары спинге тәуелді электрондық тасымалдауды қамтамасыз ете алады, сондықтан оларды спинтроника мен наноэлектроникада қолдану перспективалы болып табылады.

Пайдаланылған әдебиеттер

1. Kittel C. Introduction to Solid State Physics. – New York: Wiley, 2018.

2. Ashcroft N.W., Mermin N.D. Solid State Physics. – New York: Cengage Learning, 2011.

3. Datta S. Electronic Transport in Mesoscopic Systems. – Cambridge University Press, 1997.

4. Di Ventra M. Electrical Transport in Nanoscale Systems. – Cambridge University Press, 2008.

5. Cuevas J.C., Scheer E. Molecular Electronics: An Introduction to Theory and Experiment. – World Scientific, 2010.

6. Hohenberg P., Kohn W. Inhomogeneous Electron Gas // Physical Review. – 1964. – Vol. 136. – P. B864–B871.

7. Kohn W., Sham L.J. Self-Consistent Equations Including Exchange and Correlation Effects // Physical Review. – 1965. – Vol. 140. – P. A1133–A1138.

8. Rodrigues V., Ugarte D. Real-Time Imaging of Atomistic Process in One-Atom-Thick Metal Junctions // Physical Review B. – 2001. – Vol. 63. – P. 073405.