Помощь студентам в учебе
Электронная структура поверхностных сплавов Ag2Bi, Ag2Pb и Ag2Sb на вицинальной поверхности Ag(423)
|
ВВЕДЕНИЕ 12
1.1 Поверхностные состояния 15
1.2 Релятивистские эффекты 19
1.2.1 Спин-орбитальное взаимодействие 19
1.2.2 Эффект Рашбы 21
1.3 Общее представления о вицинальных поверхностях 25
1.4 Структура вицинальных поверхностей 30
1.4.1 Релаксация атомов на ступенях поверхности 30
1.4.2 Взаимодействие ступеней друг с другом и распределение ширины террасы 31
1.5 Энергетические состояния электронов на вицинальных поверхностях благородных металлов 33
1.5.1 Электронные состояния на фасетированных поверхностях 35
1.5.2 Спиновая текстура поверхностных состояний на вицинальных
поверхностях 37
1.6 Электронная структура поверхностных сплавов Ag2Bi, Ag2Pb, Ag2Sb 39
2 ОСНОВНЫЕ ПРИБЛИЖЕНИЯ И МЕТОДЫ РАСЧЕТА ИЗ ПЕРВЫХ ПРИНЦИПОВ ...48
2.1 Постановка задачи 48
2.2 Адиабатическое приближение 49
2.3 Зонное приближение 50
2.4 Одноэлектронное приближение. Теория функционала электронной плотности 51
2.5 Решение уравнения Кона-Шема 54
2.6 Схема самосогласованного расчета 55
2.7 Метод псевдопотенциала 57
2.8 Понятие обратной решетки 59
2.9 Ячейка Вигнера-Зейтца 60
2.10 Первая зона Бриллюэна 61
2.11 Элементы зонной теории 62
4 ОЦЕНКА К ИССЛЕДОВАНИЙ С ПОЗИЦИИ
РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТИ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЯ 77
4.1 SWOT-анализ 78
4.2 Определение возможных альтернатив проведения научных исследований 79
4.3 Планирование научно-исследовательских работ 80
4.3.1 Структура работ в рамках научного исследования 80
4.3.2 Определение трудоемкости выполнения работ 81
4.3.3. Разработка графика проведения научного исследования 81
4.4 Бюджет научно-технического исследования (НТИ) 85
4.4.1 Расчет материальных затрат НТИ 85
4.4.2 Расчет затрат на оборудование для научно-экспериментальных работ 85
4.4.3 Основная заработная плата исполнителей темы 86
4.4.4 Отчисления во внебюджетные фонды (страховые отчисления) 88
4.4.5 Накладные расходы 88
4.4.6. Формирование бюджета затрат научно-исследовательского проекта 89
5 СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ 90
5.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности 92
5.2 Производственная безопасность 93
5.3 Экологическая безопасность 101
5.4 Безопасность в чрезвычайных ситуациях 101
5.5 Выводы по главе 103
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 104
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 106
Приложение А 112
2.1 The Schrodinger equation 113
2.2 Born-Oppenheimer approximation 113
2.3 Bloch’s theorem 114
2.4 Density functional theory 115
2.5 Solution of the Kohn-Sham equation 118
2.6 Self-consistent algorithm scheme 119
2.7 Pseudopotential method 121
2.8 The concept of a reciprocal lattice 123
2.9 The Wigner-Seitz cell 123
2.10 First Brillouin zone 124
2.11 Elements of the band structure 125
1.1 Поверхностные состояния 15
1.2 Релятивистские эффекты 19
1.2.1 Спин-орбитальное взаимодействие 19
1.2.2 Эффект Рашбы 21
1.3 Общее представления о вицинальных поверхностях 25
1.4 Структура вицинальных поверхностей 30
1.4.1 Релаксация атомов на ступенях поверхности 30
1.4.2 Взаимодействие ступеней друг с другом и распределение ширины террасы 31
1.5 Энергетические состояния электронов на вицинальных поверхностях благородных металлов 33
1.5.1 Электронные состояния на фасетированных поверхностях 35
1.5.2 Спиновая текстура поверхностных состояний на вицинальных
поверхностях 37
1.6 Электронная структура поверхностных сплавов Ag2Bi, Ag2Pb, Ag2Sb 39
2 ОСНОВНЫЕ ПРИБЛИЖЕНИЯ И МЕТОДЫ РАСЧЕТА ИЗ ПЕРВЫХ ПРИНЦИПОВ ...48
2.1 Постановка задачи 48
2.2 Адиабатическое приближение 49
2.3 Зонное приближение 50
2.4 Одноэлектронное приближение. Теория функционала электронной плотности 51
2.5 Решение уравнения Кона-Шема 54
2.6 Схема самосогласованного расчета 55
2.7 Метод псевдопотенциала 57
2.8 Понятие обратной решетки 59
2.9 Ячейка Вигнера-Зейтца 60
2.10 Первая зона Бриллюэна 61
2.11 Элементы зонной теории 62
4 ОЦЕНКА К ИССЛЕДОВАНИЙ С ПОЗИЦИИ
РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТИ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЯ 77
4.1 SWOT-анализ 78
4.2 Определение возможных альтернатив проведения научных исследований 79
4.3 Планирование научно-исследовательских работ 80
4.3.1 Структура работ в рамках научного исследования 80
4.3.2 Определение трудоемкости выполнения работ 81
4.3.3. Разработка графика проведения научного исследования 81
4.4 Бюджет научно-технического исследования (НТИ) 85
4.4.1 Расчет материальных затрат НТИ 85
4.4.2 Расчет затрат на оборудование для научно-экспериментальных работ 85
4.4.3 Основная заработная плата исполнителей темы 86
4.4.4 Отчисления во внебюджетные фонды (страховые отчисления) 88
4.4.5 Накладные расходы 88
4.4.6. Формирование бюджета затрат научно-исследовательского проекта 89
5 СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ 90
5.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности 92
5.2 Производственная безопасность 93
5.3 Экологическая безопасность 101
5.4 Безопасность в чрезвычайных ситуациях 101
5.5 Выводы по главе 103
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 104
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 106
Приложение А 112
2.1 The Schrodinger equation 113
2.2 Born-Oppenheimer approximation 113
2.3 Bloch’s theorem 114
2.4 Density functional theory 115
2.5 Solution of the Kohn-Sham equation 118
2.6 Self-consistent algorithm scheme 119
2.7 Pseudopotential method 121
2.8 The concept of a reciprocal lattice 123
2.9 The Wigner-Seitz cell 123
2.10 First Brillouin zone 124
2.11 Elements of the band structure 125
Вицинальные поверхности - это кристаллические плоскости, ориентированные на несколько градусов в сторону от направления высокой симметрии. Такое небольшое отклонение (называемое углом разориентации) от оси высокой симметрии приводит к характерной периодической шероховатости на наноуровне, а именно к массивам ступеней высотой в атом, которые разделяют атомарно-плоские террасы. Чередующийся ряд «террас» и «ступеней» делает электронные свойства соседних поверхностей очень своеобразными, отличными от свойств атомарно-плоских поверхностей. С одной стороны, террасы и ступени имеют атомы с четкой координацией и сложными и разнообразными упругими релаксациями, влияющими на энергии остовных электронов. В литературе [1] показано, как уровни остовных электронов на вицинальной поверхности демонстрируют снятие напряжения, зависящее от угла разориентации, а также тонкие структурные релаксации, такие как фасетки. С другой стороны, атомные ступени создают периодическую модуляцию кристаллического потенциала, воздействуя на двумерные (2D) поверхностные состояния электронов в металлах. Это приводит к блоховскому рассеянию поверхностных электронов ступенчатой решеткой и, в конечном счете, к одномерному (1D) квантованию их состояний путем удержания на террасах или ступенчатых краях.
Вицинальные поверхности важны в инженерии электронного состояния, поскольку ступени являются активными центрами рассеяния электронов. Случайное усечение кристаллического твердого тела обычно приводит к тому, что плоскость поверхности наклонена по отношению к направлению высокой симметрии, а именно к вицинальной поверхности. Учитывая бесконечное множество вицинальных плоскостей поверхности, важно проводить их систематическое исследование, чтобы правильно определить квантово-механическую природу поверхностных электронных состояний и их спиновой текстуры [2].
Материалы, демонстрирующие спин-орбитальную связь Рашбы (СОС), вызвали активную исследовательскую деятельность, которая привела к открытию новой области спинтроники, так называемой спин-орбитроники. К таким материалам относятся поверхностные сплавы с осажденными атомами тяжелых элементов на поверхностный слой благородных металлов: Bi/Ag(111), Pb/Ag(111), Bi/Cu(111), Sb/Cu(111), Bi/Au(111), Pb/Au(111). Как и для любого другого материала, их успешное технологическое применение зависит от двух факторов: фундаментальное понимание возникающих явлений и способность управлять их ключевыми свойствами. Воздействие на электроны Рашбы потенциалом сверхрешетки является очень перспективным подходом к одновременной реализации этих двух условий. Действительно, взаимодействие электронов Рашбы с одномерными (1D) периодическими потенциалами может индуцировать стоячие спиновые волны, которые приводят к захвату и накоплению спинов вдоль направления сверхрешетки. Более того, спиновой текстурой в этом состоянии можно управлять с помощью терагерцового излучения [1].
С фундаментальной точки зрения особенности изменения переноса электронного заряда за счет рассеяния электронов Рашбы можно объяснить с помощью одномерных самособирающихся ступенчатых сверхрешеток. На обычных металлических и полупроводниковых поверхностях такие ступенчатые массивы успешно используются в качестве связанных резонаторных систем, способных обеспечивать общее удержание электронов. В течение последнего десятилетия ряд исследований был направлен на систематическое изучение вицинальных поверхностей с использованием образцов кристаллов как сферической, так и цилиндрической формы, в основном металлов, а также полупроводников. С помощью таких образцов можно зондировать целые семейства вицинальных плоскостей и, таким образом, получить исчерпывающее представление обо всех физико-химических свойствах, связанных с наличием поверхностных ступеней [3].
Цель работы: выявление особенностей влияния вицинальности поверхности на энергетические спектры поверхностных сплавов SbAg2, PbAg2 и BiAg2 на поверхности Ag(423).
Задачи, которые были поставлены, для достижения данной цели:
1. Провести поиск и проанализировать имеющуюся в литературе информацию о влиянии вицинальности поверхности на энергетический спектр электронов.
2. Ознакомиться с псевдопотенциальным методом расчета энергетических спектров электронов твердых тел в рамках теории функционала электронной плотности
3. Провести релаксацию кристаллических решеток поверхностных сплавов SbAg2, PbAg2 и BiAg2 на поверхностях (111) и (423).
4. Провести расчет орбитального состава и спиновой текстуры поверхностных сплавов SbAg2, PbAg2 и BiAg2 на поверхностях (111) и (423).
5. Исследовать влияние толщины подложки и релаксации атома адсорбата на энергетические спектры поверхностного сплава BiAg2 на поверхности (423).
На защиту выносятся следующие положения:
1. Ступенчатый потенциал на вицинальных поверхностях XAg2/Ag(423), где X =Sb, Pb, Bi, захватывает pорбитали атомов X, ориентированные параллельно ступени, и практически не влияет на pорбитали, ориентированные перпендикулярно ступени. В результате формируются комплексы зон в занятой и незанятой области спектра, слабо зависящие от волнового вектора в направлении перпендикулярном ступени, образованные преимущественно pорбиталями атомов X, ориентированными параллельно ступени.
2. Форма дисперсии зон поверхностного сплава BiAg2/Ag(423) формируется за счет вицинального характера поверхности, а положение зон по энергии определяется релаксацией атомов висмута и толщиной подложки.
Вицинальные поверхности важны в инженерии электронного состояния, поскольку ступени являются активными центрами рассеяния электронов. Случайное усечение кристаллического твердого тела обычно приводит к тому, что плоскость поверхности наклонена по отношению к направлению высокой симметрии, а именно к вицинальной поверхности. Учитывая бесконечное множество вицинальных плоскостей поверхности, важно проводить их систематическое исследование, чтобы правильно определить квантово-механическую природу поверхностных электронных состояний и их спиновой текстуры [2].
Материалы, демонстрирующие спин-орбитальную связь Рашбы (СОС), вызвали активную исследовательскую деятельность, которая привела к открытию новой области спинтроники, так называемой спин-орбитроники. К таким материалам относятся поверхностные сплавы с осажденными атомами тяжелых элементов на поверхностный слой благородных металлов: Bi/Ag(111), Pb/Ag(111), Bi/Cu(111), Sb/Cu(111), Bi/Au(111), Pb/Au(111). Как и для любого другого материала, их успешное технологическое применение зависит от двух факторов: фундаментальное понимание возникающих явлений и способность управлять их ключевыми свойствами. Воздействие на электроны Рашбы потенциалом сверхрешетки является очень перспективным подходом к одновременной реализации этих двух условий. Действительно, взаимодействие электронов Рашбы с одномерными (1D) периодическими потенциалами может индуцировать стоячие спиновые волны, которые приводят к захвату и накоплению спинов вдоль направления сверхрешетки. Более того, спиновой текстурой в этом состоянии можно управлять с помощью терагерцового излучения [1].
С фундаментальной точки зрения особенности изменения переноса электронного заряда за счет рассеяния электронов Рашбы можно объяснить с помощью одномерных самособирающихся ступенчатых сверхрешеток. На обычных металлических и полупроводниковых поверхностях такие ступенчатые массивы успешно используются в качестве связанных резонаторных систем, способных обеспечивать общее удержание электронов. В течение последнего десятилетия ряд исследований был направлен на систематическое изучение вицинальных поверхностей с использованием образцов кристаллов как сферической, так и цилиндрической формы, в основном металлов, а также полупроводников. С помощью таких образцов можно зондировать целые семейства вицинальных плоскостей и, таким образом, получить исчерпывающее представление обо всех физико-химических свойствах, связанных с наличием поверхностных ступеней [3].
Цель работы: выявление особенностей влияния вицинальности поверхности на энергетические спектры поверхностных сплавов SbAg2, PbAg2 и BiAg2 на поверхности Ag(423).
Задачи, которые были поставлены, для достижения данной цели:
1. Провести поиск и проанализировать имеющуюся в литературе информацию о влиянии вицинальности поверхности на энергетический спектр электронов.
2. Ознакомиться с псевдопотенциальным методом расчета энергетических спектров электронов твердых тел в рамках теории функционала электронной плотности
3. Провести релаксацию кристаллических решеток поверхностных сплавов SbAg2, PbAg2 и BiAg2 на поверхностях (111) и (423).
4. Провести расчет орбитального состава и спиновой текстуры поверхностных сплавов SbAg2, PbAg2 и BiAg2 на поверхностях (111) и (423).
5. Исследовать влияние толщины подложки и релаксации атома адсорбата на энергетические спектры поверхностного сплава BiAg2 на поверхности (423).
На защиту выносятся следующие положения:
1. Ступенчатый потенциал на вицинальных поверхностях XAg2/Ag(423), где X =Sb, Pb, Bi, захватывает pорбитали атомов X, ориентированные параллельно ступени, и практически не влияет на pорбитали, ориентированные перпендикулярно ступени. В результате формируются комплексы зон в занятой и незанятой области спектра, слабо зависящие от волнового вектора в направлении перпендикулярном ступени, образованные преимущественно pорбиталями атомов X, ориентированными параллельно ступени.
2. Форма дисперсии зон поверхностного сплава BiAg2/Ag(423) формируется за счет вицинального характера поверхности, а положение зон по энергии определяется релаксацией атомов висмута и толщиной подложки.
Все расчеты в данной работе были выполнены в рамках теории функционала электронной плотности методом проекционно-присоединенных волн, реализованным в пакете программ VASP. В данном подходе были рассчитаны, визуализированы и сопоставлены энергетические спектры поверхностных электронных состояний поверхностных сплавов SbAg2/Ag(111), PbAg2/Ag(111) и BiAg2/Ag(111), SbAg2/Ag(423), PbAg2/Ag(423) и BiAg2/Ag(423). Рассмотрено современное состояние вопроса об основных типах поверхностных состояний, причинах их формирования. Также представлена информация о структуре вицинальных поверхностей, их стабильности, а также особенностях формирования поверхностных состояний на поверхностях золота и платины. Рассмотрены основные особенности поверхностных состояний в сплавах SbAg2/Ag(111), PbAg2/Ag(111) и BiAg2/Ag(111) и их спиновой текстуры. Приведена основная теория по спин-орбитальному взаимодействию. Представлено краткое описание методов и приближений, используемых при изучении из первых принципов атомной и электронной структур твердых тел.
В поверхностных сплавах PbAg2/Ag(111) и BiAg2/Ag(111) наблюдается значительное расщепление по типу Бычкова-Рашбы: электронные состояния хорошо разрешены по спину в окрестности точки Г до волновых векторов k ~ 0,2 А-1. Электронные состояния поверхностного сплава SbAg2/Ag(111) испытывают слабое спин-орбитальное расщепление. Для всех трех сплавов спин электрона лежит в плоскости поверхности и ортогонален волновому вектору. В поверхностных сплавах на вицинальной поверхности эта ортогональность нарушается, а также появляется компонента спина, перпендикулярная плоскости поверхности. Исследование монослоя и тонких пленок гладкой поверхности сплава Ag2Bi показало, что дисперсия сформирована характером поверхности, релаксация атома адсорбата приводит к образованию Рашбы, а положение зон зависит как от релаксации, так и от толщины подложки.
Влияние вицинальности в спектрах поверхностных сплавов SbAg2/Ag(423), PbAg2/Ag(423) и BiAg2/Ag(423) проявляется в «размытии» электронных зон, увеличивающимся с ростом порядкового номера адсорбата (то есть с увеличением силы спин-орбитального взаимодействия): в точке Г и на границе зоны Бриллюэна величина «размытия» зон составляет около 0,1-0,2 эВ, 0,3-0,4 эВ и 0,4-0,5 эВ в поверхностных сплавах SbAg2, PbAg2 и BiAg2 соответственно.
Вицинальность поверхности приводит к формированию зон, проявляющих слабую зависимость от волнового вектора, направленного перпендикулярно ступени, и состоящих преимущественно из р орбиталей адсорбата, ориентированных параллельно ступени. В сплавах SbAg2 и BiAg2 эти зоны располагаются вблизи уровня Ферми при энергии ~ 0,3 эВ в незанятой части спектра и при энергии 1 эВ в занятой. В сплаве PbAg2/Ag(423) эти
зоны находятся при энергиях ~ 0,8 эВ в незанятой части спектра и при -0,5 эВ - в занятой. Зависимость этих зон от волнового вектора, направленного параллельно ступени, сохраняется такой же, как и на гладкой поверхности. Зоны pорбиталей адсорбата, ориентированных перпендикулярно ступени, не подвержены влиянию вицинальности.
В качестве модельной задачи были рассмотрены монослои гладкой (111) и вицинальной (423) поверхностей с помещенными на них атомами сурьмы, свинца и висмута, и исследовано влияние релаксации атомов примеси на монослое на энергетические спектры. Исходя из полученных результатов было установлено, что форма дисперсии поверхностных зон сплава BiAg2 на массивной подложке Ag(423) идентична форме зон нерелаксированного вицинального монослоя BiAg2, то есть формируется за счет вицинального характера поверхности. В результате релаксации поверхностного сплава атомы Bi значительно сдвигаются в сторону вакуума, вызывая расщепление энергетических зон по спину и их смещение по энергиям. Толщина подложки слабо влияет на дисперсию и энергетическое положение зон: уже при толщине подложки, равной 3 атомным слоям серебра, энергетический спектр поверхностных зон практически не отличается от спектра при толщине подложки, равной 27 слоям.
В поверхностных сплавах PbAg2/Ag(111) и BiAg2/Ag(111) наблюдается значительное расщепление по типу Бычкова-Рашбы: электронные состояния хорошо разрешены по спину в окрестности точки Г до волновых векторов k ~ 0,2 А-1. Электронные состояния поверхностного сплава SbAg2/Ag(111) испытывают слабое спин-орбитальное расщепление. Для всех трех сплавов спин электрона лежит в плоскости поверхности и ортогонален волновому вектору. В поверхностных сплавах на вицинальной поверхности эта ортогональность нарушается, а также появляется компонента спина, перпендикулярная плоскости поверхности. Исследование монослоя и тонких пленок гладкой поверхности сплава Ag2Bi показало, что дисперсия сформирована характером поверхности, релаксация атома адсорбата приводит к образованию Рашбы, а положение зон зависит как от релаксации, так и от толщины подложки.
Влияние вицинальности в спектрах поверхностных сплавов SbAg2/Ag(423), PbAg2/Ag(423) и BiAg2/Ag(423) проявляется в «размытии» электронных зон, увеличивающимся с ростом порядкового номера адсорбата (то есть с увеличением силы спин-орбитального взаимодействия): в точке Г и на границе зоны Бриллюэна величина «размытия» зон составляет около 0,1-0,2 эВ, 0,3-0,4 эВ и 0,4-0,5 эВ в поверхностных сплавах SbAg2, PbAg2 и BiAg2 соответственно.
Вицинальность поверхности приводит к формированию зон, проявляющих слабую зависимость от волнового вектора, направленного перпендикулярно ступени, и состоящих преимущественно из р орбиталей адсорбата, ориентированных параллельно ступени. В сплавах SbAg2 и BiAg2 эти зоны располагаются вблизи уровня Ферми при энергии ~ 0,3 эВ в незанятой части спектра и при энергии 1 эВ в занятой. В сплаве PbAg2/Ag(423) эти
зоны находятся при энергиях ~ 0,8 эВ в незанятой части спектра и при -0,5 эВ - в занятой. Зависимость этих зон от волнового вектора, направленного параллельно ступени, сохраняется такой же, как и на гладкой поверхности. Зоны pорбиталей адсорбата, ориентированных перпендикулярно ступени, не подвержены влиянию вицинальности.
В качестве модельной задачи были рассмотрены монослои гладкой (111) и вицинальной (423) поверхностей с помещенными на них атомами сурьмы, свинца и висмута, и исследовано влияние релаксации атомов примеси на монослое на энергетические спектры. Исходя из полученных результатов было установлено, что форма дисперсии поверхностных зон сплава BiAg2 на массивной подложке Ag(423) идентична форме зон нерелаксированного вицинального монослоя BiAg2, то есть формируется за счет вицинального характера поверхности. В результате релаксации поверхностного сплава атомы Bi значительно сдвигаются в сторону вакуума, вызывая расщепление энергетических зон по спину и их смещение по энергиям. Толщина подложки слабо влияет на дисперсию и энергетическое положение зон: уже при толщине подложки, равной 3 атомным слоям серебра, энергетический спектр поверхностных зон практически не отличается от спектра при толщине подложки, равной 27 слоям.