Nowa odmiana tlenku żelaza: obliczenia ab initio i pomiary synchrotronowe

Transkrypt

1 Nowa odmiana tlenku żelaza: obliczenia ab initio i pomiary synchrotronowe Przemysław Piekarz Zakład Komputerowych Badań Materiałów Instytut Fizyki Jądrowej PAN

2 Ab initio (łac.) - od początku H ψ =E ψ

3 Ab initio (łac.) - od początku H ψ =E ψ Hartree-Fock

4 Ab initio (łac.) - od początku H ψ =E ψ Hartree-Fock Teoria funkcjonału gęstości (DFT) E[n ]= EK [ n]+ Eext [ n]+ EH[ n]+ Exc [n ]= min 2 2 ℏ ( + V KS ) ψi= ϵi ψi 2m

5 Ab initio (łac.) - od początku H ψ =E ψ Hartree-Fock Teoria funkcjonału gęstości (DFT) E[n ]= EK [ n]+ Eext [ n]+ EH[ n]+ Exc [n ]= min 2 2 ℏ ( + V KS ) ψi= ϵi ψi 2m LDA+U, SIC, DFT+DMFT

6 Ab initio (łac.) - od początku H ψ =E ψ Hartree-Fock Teoria funkcjonału gęstości (DFT) Metody hybrydowe E[n ]= EK [ n]+ Eext [ n]+ EH[ n]+ Exc [n ]= min 2 2 ℏ ( + V KS ) ψi= ϵi ψi 2m LDA+U, SIC, DFT+DMFT

7 Ab initio (łac.) - od początku H ψ =E ψ Hartree-Fock Teoria funkcjonału gęstości (DFT) Metody hybrydowe E[n ]= EK [ n]+ Eext [ n]+ EH[ n]+ Exc [n ]= min 2 2 ℏ ( + V KS ) ψi= ϵi ψi 2m FeO, Fe3O4 LDA+U, SIC, DFT+DMFT

8 Tlenek żelaza

9 Tlenek żelaza Wustyt Fe1-xO (Fe2+)

10 Tlenek żelaza Wustyt Fe1-xO (Fe2+) Magnetyt Fe3O4 (Fe2+ Fe3+)

11 Tlenek żelaza Wustyt Fe1-xO (Fe2+) Magnetyt Fe3O4 (Fe2+ Fe3+) Hematyt Fe2O3 (Fe3+)

12 Wustyt Fe1-xO x =

13 Wustyt T > TN =198 K Fm-3m

14 Wustyt T < TN =198 K R-3m

15 Struktura elektronowa Fe1-xO spin up 64 atomy 32 Fe + 32 O x=0 spin down 63 atomy 1 VFe 2Fe3+ 31 Fe + 32 O x ~ 3% 62 atomy 2 VFe 4Fe3+ 30 Fe + 32 O x ~ 6%

16 Fononowe relacje dyspersji (direct method) K. Parlinski, Z. Q. Li, and Y. Kawazoe, Phys. Rev. Lett. 78, 4063 (1997) Program PHONON (K. Parlinski) x=0 Fm-3m, 2 wych., 6 gałęzi Nieelastyczne rozpraszanie neutronów Fe0.93O G. Kugel et al., Phys. Rev. B 16, 378 (1977)

17 Fononowe relacje dyspersji (direct method) K. Parlinski, Z. Q. Li, and Y. Kawazoe, Phys. Rev. Lett. 78, 4063 (1997) Program PHONON (K. Parlinski) x=0 Fm-3m, 2 wych., 6 gałęzi x=3% P1, 378 wych., 189 gałęzi Nieelastyczne rozpraszanie neutronów Fe0.93O G. Kugel et al., Phys. Rev. B 16, 378 (1977)

18 Fononowe relacje dyspersji (direct method) K. Parlinski, Z. Q. Li, and Y. Kawazoe, Phys. Rev. Lett. 78, 4063 (1997) Program PHONON (K. Parlinski) x=0 Fm-3m, 2 wych., 6 gałęzi x=3% P1, 378 wych., 189 gałęzi Nieelastyczne rozpraszanie neutronów Fe0.93O G. Kugel et al., Phys. Rev. B 16, 378 (1977)

19 Fononowa gęstość stanów Znaczne poszerzenie gęstości stanów Fe => bardzo dobra zgodność z pomiarami nieelastycznego rozpraszania jądrowego w Fe0.95O V. V. Struzhkin et al., PRL 87, (2001) U. D. Wdowik, P. Piekarz, K. Parlinski, A. M. Oleś, J. Korecki, Phys. Rev. B 87, (2013) U. D. Wdowik, P. Piekarz, P. T. Jochym, K. Parlinski, A. M. Oleś, Phys. Rev. B 91, (2015)

20 Rezonansowe rozpraszanie jądrowe 57 Fe E = kev nuclear forward scattering

21 Rezonansowe rozpraszanie jądrowe 57 Fe E = kev nuclear forward scattering

22 Rezonansowe rozpraszanie jądrowe 57 Fe E = kev nuclear forward scattering internal conversion fluorescence nuclear inelastic scattering

23 Rezonansowe rozpraszanie jądrowe 57 Fe E = kev nuclear forward scattering internal conversion fluorescence M. Seto et al., Phys. Rev. Lett. 74, 3828 (1995) W. Sturhahn et al., Phys. Rev. Lett. 74, 3832 (1995) nuclear inelastic scattering

24 DYNASYNC ( ) Dynamics in Nano-scale Materials Studied with Synchrotron Radiation

25 DYNASYNC ( ) Dynamics in Nano-scale Materials Studied with Synchrotron Radiation Przygotowanie nanostruktur IKiFP Kraków KU Leuven Univ. Wien KFKI Budapest Rezonansowe rozpraszanie jądrowe ESRF HASYLAB Teoria IFJ Kraków

26 European Synchrotron Radiation Facility (ESRF)

27 ID18 - Nuclear Resonance Beamline - ESRF de 1 mev 7 = 10 E 14 kev h Unikalna aparatura umożliwiająca pomiar rezonansowego rozpraszania jądrowego w warunkach ultra-wysokiej próżni (UHV) powstała w ramach projektu DYNASYNC S. Stankov, R. Rüffer, M. Sladecek, M. Rennhofer, B. Sepiol, G. Vogl, N. Spiridis, T. Slęzak, and J. Korecki, Rev. Sci. Instrum. 79, (2008)

28 Nanostruktury Fe57/Fe56 Fe(110) surface Fe/W(110) thin film 57 Fe 56 Fe 57 Fe 56 Fe 57 Fe W T. Ślęzak, J. Łażewski, S. Stankov, K. Parlinski, R. Reitinger, M. Rennhofer, R. Rüffer, B. Sepiol, M. Ślęzak, N. Spiridis, M. Zając, A.I. Chumakov, and J. Korecki, Phonons at the Fe(110) Surface, Phys. Rev. Lett. 99, (2007) S. Stankov, R. Rohlsberger, T. Ślęzak, M. Sladecek, B. Sepiol, G. Vogl, A.I. Chumakov, R. Rüffer, N. Spiridis, J. Łażewski, K. Parlinski, and J. Korecki, Phonons in Iron: From the Bulk to an Epitaxial Monolayer, Phys. Rev. Lett. 99, (2007)

29 Cienkie warstwy FeO/Pt(111) Tlenki metali przejściowych wykorzystywane są w pamięciach magnetycznych, ferroelektrykach, katalizie, spintronice,... FeO(111) powierzchnia polarna: rekonstrukcja powierzchni, metalizacja Pt-FeO duże niedopasowanie sieci (11%) - struktura moiré (~ 26 Å) Struktura silnie zależy od warunków wytwarzania i grubości warstwy (ML) FeO(111) stabilny do 2 ML Fe3O4(111) stabilny powyżej 2 ML Nowa metoda opracowana w Instytucie Katalizy i Fizykochemii Powierzchni PAN: utlenianie warstw Fe do 16 monowarstw (4nm) N. Spiridis et al. PRB 85, (2012)

30 Cienkie warstwy FeO/Pt(111) LEED STM

31 Rezonansowe rozpraszanie jądrowe FeO/Pt(111) NIS NFS

32 Rezonansowe rozpraszanie jądrowe FeO/Pt(111) NIS NFS Uporządkowanie ferromagnetyczne i poszerzenie pików fononowych dla 6-10 ML

33 Fonony w warstwie FeO/Pt(111) Gęstość stanów fononowych FeO/Pt bardzo różni się od widma wustytu

34 Fonony w warstwie FeO/Pt(111) Gęstość stanów fononowych FeO/Pt bardzo różni się od widma wustytu Odchylenie od zależności g(e) ~ E2 typowej dla układów 3D

35 Fonony w warstwie FeO/Pt(111) Gęstość stanów fononowych FeO/Pt bardzo różni się od widma wustytu Odchylenie od zależności g(e) ~ E2 typowej dla układów 3D

36 Fonony w warstwie FeO/Pt(111) g(e) ~ En n=d-1 log (g(e)) ~ n log (E)

37 Struktura Moiré L. Giordano, C. Pacchioni, J. Goniakowski, N. Nilius, E. D. L. Rienks, H.-J. Freund, Phys. Rev. B 76, (2007) hcp fcc top

38 Obliczenia FeO/Pt Vienna Ab-initio Simulation Package (VASP) Projector augmented-wave (PAW) Generalized gradient approximation (GGA) Supercell Cm(Cs3): 112 atoms: 80 Pt (5 layers) + 16 FeO GGA+U U(3d) = 4 ev J(3d) = 1 ev k-points 2x2x1 Ecut = 520 ev Fmax < 10-4 ev/a 3 nm O-Fe = 0.72 A Fe-Pt1 = 2.11 A Pt1-Pt2 = 2.19 A Pt2-Pt3 = 2.10 A 1.2 nm Pt3-Pt4 = 2.03 A Pt4-Pt5 = 2.07 A 1.2 nm 1.06 nm

39 Fononowa gęstość stanów Fe fcc top

40 Podsumowanie FeO/Pt(111) Dynamika sieci i własności magnetyczne cienkich warstw FeO znacznie różnią się od tych w znanych formach tlenku żelaza Zaobserwowano przejście od układu 2D to 3D Wyliczone widmo dla monowartswy FeO/Pt(111) bardzo dobrze zgadza się z pomiarami Teoria przewiduje anizotropię drgań w płaszczyźnie x-y i występowanie wysokoenergetycznych modów w zakresie mev Wyznaczone własności strukturalne, dynamiczne i elektronowe cienkich warstw FeO/Pt(111) wskazują na istnienie nowej fazy tlenku żelaza N. Spiridis, M. Zając, P. Piekarz, A.I. Chumakov, K. Freindl, J. Goniakowski, A. KoziołRachwał, K. Parliński, M. Ślęzak, T. Ślęzak, U.D. Wdowik, D. Wilgocka-Ślęzak, J. Korecki, Phys. Rev. Lett. 115, (2015) EurekAlert!: [ Świat Nauki (Scientific American) luty 2016

41 Współpraca K. Parlinski, J. Łażewski, P. T. Jochym, M. Sternik Instytut Fizyki Jądrowej PAN, Kraków U. D. Wdowik Uniwersytet Pedagogiczny, Kraków A. M. Oleś Uniwersytet Jagielloński, Kraków Max Planck Institute, Stuttgart J. Korecki, N. Spiridis, K. Freindl, T. Ślęzak Instytut Katalizy i Fizykochemii Powierzchni PAN, Kraków J. Goniakowski Institute of Nanosciences, Paris A. Chumakov, R. Ruffer ESRF, Grenoble Project supported by National Science Center grants 2011/01/M/ST3/00738 and 2012/04/A/ST3/00331