Основные достижения 2004 г.
Отработана технология получения тонких пленок и многослойных структур полупроводниковых и магнитных материалов
Отработана технология получения тонких пленок и многослойных структур полупроводниковых и магнитных материалов на основе Fe/Si в сверхвысоком вакууме на основе установки МЛЭ "Ангара".
Рис.1. Зависимость величины межслоевого взаимодействия от толщины ферромагнитного слоя в пленках Fe/Si/Fe. 1 - T = 200 K, 2 - T = 3K.
Отработана технология получения тонких пленок и многослойных структур полупроводниковых и магнитных материалов на основе Fe/Si в сверхвысоком вакууме на основе установки МЛЭ "Ангара". Полученные структуры исследовались такими методами как: электронная спектроскопия; лазерная эллипсометрия; ферромагнитный резонанс.
С целью определения структурных характеристик образцы исследованы методом малоуглового рентгеновского рассеяния. В результате процедуры подгонки модельной кривой, рассчитанной для шестислойной структуры с нарушенными границами, к экспериментальному рентгеновскому профилю получена информация о толщине каждого индивидуального слоя и шероховатости границ раздела.
В системе Fe/Si методом магнитного резонанса исследованы магнитные свойства трехслойных пленок в зависимости от толщины ферромагнитного слоя (tFe = 0 - 10 нм). Толщина прослойки кремния соответствовала максимальному антиферромагнитному межслоевому взаимодействию в ранее проведенных экспериментах (tSi = 2 нм). Впервые обнаружено, что, при данной толщине немагнитной прослойки, межслоевое взаимодействие существенно зависит от толщины ферромагнитного слоя.
Величина взаимодействия сначала растет, достигая максимума при tFe =5 нм, а затем уменьшается практически до нуля при tFe =10 нм. Полученные результаты объясняются в предположении о конкуренции вкладов от объемной доли магнитного слоя и интерфейса. Эти результаты представляются важными в плане конструирования структур, обладающих эффектом гигантского магнитосопротивления.
- Варнаков С.Н., Лепешев А.А., Овчинников С.Г., Паршин А.С., Коршунов М.М., Nevoral P., Автоматизация технологического оборудования для получения многослойных структур в сверхвысоком вакууме, Приборы и техника эксперимента -2004.-в.6, с.125-129
- Патрин Г.С., Волков Н.В., Овчинников С.Г., Еремин Е.В., Панова М.А., Варнаков С.Н., Влияние толщины ферромагнитного слоя на межслоевое взаимодействие в пленках Fe/Si/Fe, Письма в ЖЭТФ -2004.-т.80, в.7, c.560-562
Замкнутая система 10 уравнений самосогласования для модели Хаббарда
В рамках эффективного гамильтониана для модели Хаббарда в режиме сильных электронных корреляций получена замкнутая система 10 уравнений самосогласования
Рис.1. Эволюция плотности фермиевских состояний t-J*-модели при изменении концентрации. На вставке показана структура плотности вблизи потолка зоны. Штриховая линия соответствует расчетному положению химпотенциала.
В рамках эффективного гамильтониана для модели Хаббарда в режиме сильных электронных корреляций (t-J*-модель, в которой учитываются трехцентровые взаимодействия) получена замкнутая система 10 уравнений самосогласования, определяющая спин-фермионную динамику в спин-синглетной фазе. Численное решение этой самосогласованной системы уравнений позволило изучить концентрационную и температурную зависимости магнитных корреляционных функций. При этом показано, что одновременный учет как трехцентровых взаимодействий (коррелированных перескоков), так и перенормировок, обусловленных флуктуациями в подсистеме спиновых степеней свободы индуцирует новую особенность Ван-Хова в плотности электронных состояний как только концентрация носителей тока становится относительно большой. Этот эффект отчетливо виден на представленном рисунке 1.
Рис.2. Концентрационные зависимости критической температуры.
Применение этих результатов к задаче об условиях реализации сверхпроводящей фазы с d-типом симметрии параметра порядка позволило изучить влияние трехцентровых взаимодействий и магнитных флуктуаций на концентрационную зависимость температуры перехода в сверхпроводящую фазу. Показано, что новая особенность Ван-Хова обуславливает качественно иное поведение Tc(n) по сравнению с хорошо известной зависимостью для обычной t-J-модели. Этот эффект продемонстрирован на втором рисунке. Правая кривая получена при учете трехцентровых взаимодействий и магнитных корреляций. Левая кривая соответствует зависимости Tc(n) для обычной t-J-модели.
- Вальков В.В., Дзебисашвили Д.М., Электронный спектр и температура сверхпроводящего перехода сильно коррелированных фермионов с трехцентровыми взаимодействиями, ЖЭТФ.-2005.-т.127, в.2.
- Вальков В.В., Дзебисашвили Д.М., Роль магнитных корреляций и трехцентровых при формировании сверхпроводимости с dx2-y2 типом симметрии параметра порядка // XXX Международная зимняя школа физиков - теоретиков. Екатеринбург - Челябинск. 22-28 февраля, 2004. Тезисы докладов. С. 24-А.
- Вальков В.В., Дзебисашвили Д.М., Влияние магнитных корреляций и трехцентровых взаимодействий на фазовую диаграмму высокотемпературных сверхпроводников с dx2-y2 симметрией параметра порядка // Первая международная конференция "Фундаментальные проблемы сверхпроводимости". Москва-Звенигород, 18-22 октября, 2004. Тезисы докладов. С.36-37.
Трехмерная внерешеточная модель генерации агрегатов сферических частиц
Разработана трехмерная внерешеточная модель генерации агрегатов сферических частиц, воспроизводящая естественные условия структурообразования.
Рис. 1. Вид фрактальных агрегатов, полученных методом моделирования с помощью решеточного (1) и вне-решеточного генераторов (2).
Совершенствование методов расчета оптических характеристик дисперсных систем требует точного воспроизведения морфологических особенностей образующихся в них фрактальных наноагрегатов при математическом моделировании их роста. В подавляющем большинстве работ для этого используется модель блуждания частиц по узлам кубической решетки до момента их соединения, чем имитируется образование агрегатов при броуновском процессе.
Однако структура таких статических агрегатов заметно отличается от естественных наноагрегатов и не учитывает условий их роста в реальных условиях. В частности, ориентация соседних пар частиц в агрегатах строго ограничена направлениями координатных осей (рис. 1 (1)), тогда как в реальных коллоидных агрегатах пары имеют произвольную ориентацию (рис.1 (2)), что влияет на условия их взаимодействия с электромагнитной волной. Кроме того, решеточные модели не позволяют генерировать агрегаты полидисперсные по размеру частиц, а также агрегаты несферических частиц.
Другим важным фактором, неучтенным в решеточных моделях роста, является вращение агрегатов. Это вращение уменьшает возможность проникновения частиц во внутренние области агрегатов, что приводит к их более низкой фрактальной размерности, усилению локальной анизотропии и изменению ее радиальной зависимости. С целью преодоления этих недостатков была разработана трехмерная вне-решеточная модель генерации агрегатов сферических частиц, воспроизводящая естественные условия структурообразования. В модели учтен обмен между поступательными и вращательными степенями свободы агрегатов, субагрегатов и отдельных частиц при произвольном виде потенциала взаимодействия частиц, а также при произвольной функции распределения частиц по размерам, их форме и толщине адсорбционного слоя.
Межчастичный потенциал включает в себя электростатические и ван-дер-ваальсовы взаимодействия и позволяет учесть влияние внешних электрических, магнитных и гравитационных полей с произвольной конфигурацией, а также диссипативные силы. Модель агрегации основана на дискретно-временной ньютоновской динамике ансамбля хаотически распределенных частиц.
Рис. 2. Вероятность (P) генерации агрегатов с фрактальной размерностью (D) в идентичных условиях (расчеты по 65 тысячам агрегатов N=50).
Разработанная модель может быть использована для исследования кинетики агрегации золей под действием различных физических факторов и рассчитывать характеристики образующихся агрегатов. Получена гистограмма фрактальной размерности Р(D) агрегатов, генерируемых в идентичных условиях. Обнаружено, что дисперсия не превышает 15% при характерных значениях D=1.6 для количества частиц N=50 (Рис. 2) с тенденцией к уменьшению дисперсии с ростом N.
Рис. 3. Зависимость фрактальной размерности агрегата от количества входящих в него частиц в условиях вращения (2) и в его отсутствие (1).
Получена зависимость фрактальной размерности агрегатов от количества входящих в них частиц. Исследована роль вращения агрегатов (Рис.3). Разрабатываемый пакет программ не имеет известных аналогов (основные идеи опубликованы в работе [1]). Помимо коллоидной химии эти разработки уже получили востребованность и потенциальные применения в таких областях, как физика плазмы (включая пылевую плазму), фотонно-кристаллические среды, что, в частности, связано с моделированием роста трехмерных периодических коллоидных структур, а также астрофизика межзвездной среды.
- Markel V.A., Pustovit V.N., Karpov S.V., Obuschenko A.V., Gerasimov V.S., Isaev I.L. Electromag-netic density of states and absorption of radiation by aggregates of nanospheres with multipole in-teractions// Phys. Rev. B, -2004. -V.70, p. 054202-1 - 504202-19.
СВЧ метод спектроскопического анализа комплексной диэлектрической проницаемости почвенной влаги
Рис. 1. Статическая диэлектрическая проницаемость и время релаксации связанной почвенной влаги для почв с различным минеральным и органическим составом (1- бентонит, 2-суглинок, 3-глинистый чернозем, 4-глина, 5-супесь), при температуре 250С
Впервые разработан СВЧ метод спектроскопического анализа комплексной диэлектрической проницаемости почвенной влаги. Экспериментально обоснована возможность определения параметров релаксации Дебая для содержащейся в почве связанной и свободной воды. Изучены зависимости параметров релаксации обоих типов почвенной влаги от минерального и органического состава почв и температуры. Обнаружены фазовые переходы связанной почвенной влаги при замерзании и оттаивании почвогрунтов. Создана спектральная модель комплексной диэлектрической проницаемости влажных почв, учитывающая релаксационные свойства и относительное объемное содержание связанной и свободной влаги в почве. Разработаны принципы построения спектроскопических баз данных по СВЧ диэлектрическим свойствам почв. На рис. 1 и 2 показаны зависимости статической диэлектрической проницаемости и времени релаксации Дебая для связанной почвенной влаги от типа почвы и температуры, соответственно.
Рис. 2. Зависимость статической диэлектрической проницаемости и времени релаксации для связанной влаги в бентоните от температуры
Эти результаты опубликованы в работах [1-7]. Они не имеют аналогов в мировой научной литературе и найдут широкое применение при разработке аэрокосмических методов радиофизической диагностики земных покровов, а также в электрофизике почв и грунтов, физической химии почвенной влаги и мерзлотоведении.
- V.L. Mironov, M. C. Dobson, V. H. Kaupp, S. A. Komarov, and V. N. Kleshchenko, "Generalized refrac-tive mixing dielectric model for moist soils," IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing, vol. 42, no. 4, pp. 773 - 785, 2004.
- V.L. Mironov, "Spectral Dielectric Properties of Moist Soils in The Microwave Band," in Proc. IGARSS'04, Anchorage, USA, vol. V, pp. 3474 - 3477, 2004.
- V.L. Mironov, P.P. Bobrov, and V.N. Mandrygina, "Bound Water Spectroscopy for the Soils with Varying Mineralogy," in Proc. IGARSS'04, Anchorage, USA, vol. V, pp. 3478 - 3480, 2004.
- V.L. Mironov, and P.P. Bobrov, "Soil Dielectric Spectroscopic Parameters Dependence on Humus Con-tent," in Proc. IGARSS'03, Toulouse, France, vol. II, pp. 1106-1108, 2003.
- V.L. Mironov, V.H. Kaupp, S.A. Komarov, and V.N. Kleshchenko, "Frozen Soil Dielectric Model Using Unfrozen Water Spectroscopic Parameters," in Proc. IGARSS'03, Toulouse, France, vol. VII, pp. 4172 - 4174, 2003.
- V. L. Mironov, M. C. Dobson, V. H. Kaupp, S. A. Komarov, and V. N. Kleshchenko, "Generalized refrac-tive mixing dielectric model for moist soils," in Proc. IGARSS'02, Toronto, Canada, vol.VI, pp. 3556-3558, 2002.
- V. L. Mironov, "Microwave electrical properties modeling for radar and radiometry remote sensing of hy-drological processes in soil and ground," NASA/NOOA GAPP & Hydrology Meetings, Abstracts, Potomac, MD, 29 April-4 May, 2001.
Монография "Перовскиты. Настоящее и будущее"
Итоги многолетних исследований, посвященных кристаллохимическому анализу известных каркасных и слоистых структур родственных перовскиту, а также возможностям синтеза новых соединений подведены в монографии акад. К.С.Александрова и к.ф.-м. н. Б.В.Безносикова "Перовскиты. Настоящее и будущее", Новосибирск, Изд. СО РАН, 2004