Моделирование квантовых состояний в твердотельных ферромагнитных наноструктурах

Цель работы. Выявление и анализ математических выражений для энергетического спектра носителей заряда в наноразмерных магнитных пленках никеля и структурах Ni-Cu (подложка), а также NiO-Ni-Cu (подложка). 

Методы. В работе на основе основных квантово-механических представлений, с учетом граничных условий для связанных квантовых ям получены выражения для энергетического спектра электронов. Ферромагнитные свойства никеля учитываются посредством величины эффективной массы. Решение нелинейных уравнений, определяющих дискретные энергетические уровни, достигалось численными методами с использованием математического пакета Mathcad. 

Результаты. Получены трансцендентные выражения для энергий свободных носителей заряда в квантовых ямах ферромагнитных пленок никеля, показано влияние положения никеля на медной подложке. Показано, что использование медной подложки приводит к увеличению плотности энергетических уровней в никелевой нанопленке. В рамках модели Андерсона рассмотрено влияние оксидного слоя на одноэлектронные состояния в нанопленках никеля и его оксида. На основе численного решения полученных в работе трансцендентных уравнений показано влияние соотношения толщин ферромагнитного металла и его оксида на энергетические уровни электронов, локализованных в оксидном слое. 

Заключение. Представленные в работе формулы для спектра энергий учитывают энергетический рельеф сложной квантовой ямы, размеры пленки, поверхностного оксида и значительную эффективную массу в области ферромагнитной пленки. Показано, что увеличение эффективной массы в магнитных гетероструктурах приводит к повышению электронной плотности состояний. Обнаружено, что плотность электронных состояний в области поверхностного оксида никеля практически независима от толщины никелевой пленки. Результаты и выводы работы могут быть использованы для теоретического прогнозирования физических свойств магнитных наноструктур, в частности элементов спинтроники. 

1. Фетисов Ю. К., Сигов А. С. Спинтроника: физические основы и устройства // РЭНСИТ (Радиоэлектроника. Наносистемы. Информационные технологии). 2018. Т. 10, № 3. С. 343–356. https://doi.org/10.17725/rensit.2018.10.343

2. Co/Ni multilayers for spintronics: High spin polarization and tunable magnetic anisotropy / S. Andrieu, T. Hauet, M. Gottwald, A. Rajanikanth, L. Calmels, A. M. Bataille [et al.] // Phys. Rev. Materials. 2018. Vol. 2, no. 6. P. 064410. https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.2.064410

3. Особенности магнетронного напыления тонких пленок оксида никеля для применения в составе перовскитных солнечных элементов / А. С. Агликов, Д. А. Кудряшов, А. М. Можаров, С. В. Макаров, А. Д. Большаков, И. С. Мухин // Журнал технической физики. 2019. Т. 89, вып. 3. С. 460–464. https://doi.org/10.21883/JTF.2019.03.47186.290-18

4. Магнитные наночастицы: методы получения, строение и свойства / С. П. Губин, Ю. А. Кокшаров, Г. Б. Хомутов, Г. Ю. Юрков // Успехи химии. 2005. Т. 74, № 6. С. 539–574. https://doi.org/10.1070/rc2005v074n06abeh000897

5. Fatigue behavior of freestanding nickel–molybdenum–tungsten thin films with high-density planar faults / J. Park, Y. Park, S. Choi, Z. F. Lee, G. Sim // Nanoscale. 2024. Vol. 16, is. 25. P. 12050. https://doi.org/10.1039/D4NR01033G

6. Tong B., Ichimura M. Electrochemical deposition of transparent p-Type semiconductor NiO // Electrical Engineering in Japan. 2018. Vol. 101, is. 2. P. 45–50. https://doi.org/10.1002/ecj.12043

7. Условия формирования и топография поверхности никелевых нанопленок на меди / В. В. Филиппов, С. Е. Лузянин, Е. С. Нефедова, Д. В. Токарева // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2021. Т. 11, № 3. С. 59–76

8. Исследование наноразмерных пленок никеля методом Зауэрбрея / В. Э. Суровая, Л. Н. Бугерко, Э. П. Суровый, С. В. Бин // Ползуновский вестник. 2015. Т. 2, № 4. С. 90–94.

9. Fabrication and characterization of semiconductor nickel oxide (NiO) nanoparticles manufactured using a facile thermal treatment / M. Hashem, E. Saion, N. M. Al-Hada, H. M. Kamari, A. H. Shaari, Z. A. Talib [et al.] // Results in Physics. 2016. Vol. 6. P. 1024–1030. https://doi.org/10.1016/j.rinp.2016.11.031

10. Efficient p-type doping of sputter-deposited NiO thin films with Li, Ag, and Cu acceptors / K. O. Egbo, C. E. Ekuma, C. P. Liu, K. M. Yu // Phys. Rev. Materials. 2020. Vol. 4. P. 104603. https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.4.104603

11. Moumen A., Kumarage G. C. W., Comini E. P. P-Type metal oxide semiconductor thin films: synthesis and chemical sensor applications // Sensors. 2022. Vol. 22, no. 4. P. 1359. https://doi.org/10.3390/s22041359

12. Драгунов В. П. Неизвестный И. Г., Гридчин В. А. Наноэлектроника. Ч. 1. М.: Юрайт, 2022. 285 с.

13. Размерное квантование. Ч. 1 / В. Э. Гасумянц, С. Н. Лыков, Д. А. Пшенай-Северин, С. А. Рыков, Д. А. Фирсов // Энергетический спектр наноструктур / под ред. С. Н. Лыкова. СПб.: Изд-во политехнического ун-та, 2009. 258 с.

14. Anderson R. I. Experiments on Ge-GaAs heterojunctions // Solid State Electronics. 1962. Vol. 5, is. 5. P. 341–344.

15. Рембеза С. И., Рембеза Е. С., Кошелева Н. Н. Низкоразмерные структуры для микро- и наноэлектроники. Воронеж: Воронеж. гос. техн. ун-т, 2015. 114 с.

16. Мушников Н. В. Магнетизм и магнитные фазовые переходы. Екатеринбург: Урал. федер. ун-т, 2017. 168 с.

17. Игнатенко С. А. Влияние интерфейсного s-d-рассеяния на транспорт в структурах ферромагнетик/диэлектрик/ферромагнетик // Журнал технической физики. 2006. Т. 76, вып. 11. С. 6–11. https://doi.org/10.1134/S1063784206110028

18. Controlled p-type to n-type conductivity transformation in NiO thin films by ultraviolet-laser irradiation / P. Gupta, T. Dutta, S. Mal, J. Narayan // Journal of Applied Physics. 2012. Vol. 111, no. 1. P. 013706. https://doi.org/10.1063/1.3671412

19. Novel NiO-based p-i-n ultraviolet photodiode / F. Sarcan, U. Dogan, A. Althumali, H. B. Vasili, L. Lari, A. Kerrigan [et al.] // Journal of Alloys and Compounds. 2023. Vol. 934. P. 167806. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2022.167806

20. Landolt H., Börnstein R. Landolt-Borstein’s zahlenwerte und funktionen aus physik, chemie astronomie, geophysik, thechnik. 6th ed. Vol. 2, pt. 6. Berlin: Springer-Verlag? 1959. P. 1852–1913.

21. Фоменко В. С. Эмиссионные свойства элементов и химических соединений. Киев: Наукова думка, 1981. 339 c.

22. Non-extensive statistics in free-electron metals and thermal effective mass / A. Khuntia, G. Sahu, R. Sahoo, D. P. Mahapatra, N. Barik // Physica A: Statistical Mechanics and its Applications. 2019. Vol. 523. pp. 852–857. https://doi.org/10.1016/j.physa.2019.02.043

23. Kittel C. Introduction to solid state physics. 8th ed. John Wiley & Sons, Inc., 2005. 700 p.