Autoreferat. Małgorzata Sternik. Załącznik nr 2 do wniosku o wszczęcie postępowania habilitacyjnego

Transkrypt

1 Załącznik 2 Autoreferat Małgorzata Sternik Załącznik nr 2 do wniosku o wszczęcie postępowania habilitacyjnego Autoreferat zawiera: dane personalne przebieg pracy naukowej listę publikacji tworzących monotematyczny cykl wraz z informacją o moim wkładzie w ich powstanie wprowadzenie omówienie poszczególnych publikacji podsumowanie str Kraków 2012

2

3 załącznik 2 autoreferat 1 DANE PERSONALNE Imiona: Nazwisko: Małgorzata Ewa Sternik Data urodzenia: Miejsce urodzenia: Ostrowiec Świętokrzyski Miejsce zatrudnienia: Zakład Komputerowego Badania Materiałów Instytut Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk ul. Radzikowskiego 152, Kraków Posiadane dyplomy, stopnie naukowe: Studia na Wydziale Matematyki i Fizyki, Uniwersytetu Jagiellońskiego 1987 uzyskanie stopnia magistra na Wydziale Matematyki i Fizyki Uniwersytetu Jagiellońskiego praca magisterska Badanie funkcji wzbudzenia w reakcjach 165Ho(16O,4nγ)177Re i 148Nd(19F,4nγ)163Tm wykonana w Zakładzie Fizyki Jądrowej Instytutu Fizyki UJ Studia doktoranckie w Instytucie Fizyki Uniwersytetu Jagiellońskiego 1992 uzyskanie stopnia doktora nauk fizycznych praca doktorska Oddziaływanie domieszka domieszka w rozcieńczonych roztworach stałych srebra, wykonana w Zakładzie Fizyki Jądrowej Instytutu Fizyki UJ Przebieg pracy zawodowej: roczny staż w Instytucie Fizyki Uniwersytetu Jagiellońskiego asystent w Instytucie Fizyki Jądrowej adiunkt w Instytucie Fizyki Jądrowej urlop wychowawczy

4 2 autoreferat załącznik 2

5 załącznik 2 autoreferat 3 Przebieg pracy naukowej z wyszczególnieniem najważniejszych osiągnięć naukowych Po ukończeniu studiów i obronie pracy magisterskiej, której tematyka związana była z fizyką jądrową, a w szczególności badaniami spektroskopowymi promieniowania gamma powstałego w reakcjach jądrowych z ciężkimi jonami, zainteresowałam się zastosowaniami metod jądrowych w badaniach skondensowanj fazy materii. Obiektem moich badań były stopy, których głównym składnikiem było srebro, domieszką próbnikiem jądrowym 111In, a pozostałymi domieszkami atomy Mn, Ni, Co, Cu, Zn, Ga, Ge, Al i Rh. Pomiary zostały wykonane przy pomocy zależnej od czasu metody korelacji kierunkowych promieniowania gamma i w jednym przypadku metody Mössbauera (dla domieszek Co). Głównym celem badań było wyznaczenie energii oddziaływania par próbnik domieszka i porównanie otrzymanych rezultatów z wynikami obliczeń teoretycznych. Wyniki zostały opublikowane w pracach [1 4]. (Referencje odnoszą się do prac własnych według numeracji w Załączniku 4). Ponadto pokazaliśmy, że przy pomocy tej samej metody można wyznaczyć granice rozpuszczalności domieszek i zbadać różne typy wytrąceń w przypadku domieszek bardzo słabo rozpuszczalnych w srebrze [6,9]. Rezultaty tych badań stanowiły podstawę mojej rozprawy doktorskiej. W 1992 roku, po obronie pracy doktorskiej zostałam zatrudniona w Instytucie Fizyki Jądrowej, gdzie pod kierunkiem prof. Krzysztofa Parlińskiego poznawałam zagadnienia związane z możliwością wykorzystania symulacji komputerowych w fizyce skondensowanej fazy materii. Praca polegała na stworzeniu modelu kryształu, a następnie przy pomocy dynamiki molekularnej symulowaniu przejść fazowych i analizowaniu ich konsekwencji w postaci powstającej struktury domenowej. Wyniki obliczeń można było prześledzić na dwuwymiarowych mapach pokazujących stan układu z upływającym czasem. Ze względu na olbrzymią liczbę stopni swobody rzeczywistego kryształu, prof. K. Parliński zaproponował wprowadzenie tzw. racjonalnego modelu, zawierającego znacznie zredukowaną liczbę wewnętrznych stopni swobody, ograniczając się do takich, które pozwalały utworzyć parametr porządku badanego kryształu. Wprowadzony model pozwalał na sprzężenie dwu podstawowych wielkości odpowiedzialnych za strukturalne przejście fazowe: miękkiego modu fononowego i stałych elastycznych. Metoda ta zastosowana została m.in. do modelowania własności strukturalnych wysokotemperaturowego nadprzewodnika YBa2Cu3O7 δ. W pracy [5] analizowano zależność temperatury przejścia z fazy tetragonalnej do rombowej od koncentracji tlenu. Następnie przeprowadzono symulację powstawania i ewolucji mikrostruktury w takim układzie [5,7,12]. W kolejnej pracy uzupełniono diagram fazowy o jeszcze jedną fazę rombową obserwowaną eksperymentalnie [13]. Przeprowadzone symulacje mikrostruktury YBCO z uwzględnieniem obu niskotemperaturowych faz rombowych OI i OII wykazały, że w krysztale w którym obie fazy współistnieją w formie wytrąceń, wygrzewanie mikrostruktury przebiega wolniej niż w krysztale z tylko jedną fazą rombową. Na podobnych zasadach oparty został także model służący do wyliczania diagramów fazowych jedno i dwuwymiarowych faz zmodulowanych w kryształach tetragonalnych. Pokazano, że formowanie stabilnych faz niewspółmiernych jest bardzo czułe na wartości parametrów potencjału, w szczególności parametrów związanych z krzywizną krzywych dyspersji fononów wzdłuż kierunku modulacji [8,10]. Opisane wyżej modele fenomenologiczne prowadziły głównie do jakościowego opisu wyników eksperymentalnych. Ograniczały się do odtworzenia własności kryształu w określonych warunkach. Kolejnym etapem mojej pracy był współudział w opracowaniu nowego algorytmu wyliczania relacji dyspersji fononów z danych uzyskiwanych metodą dynamiki molekularnej. Przy jego użyciu wyliczone zostały krzywe dyspersji fononów kryształu argonu [11]. Dane do obliczeń

6 4 autoreferat załącznik 2 otrzymane zostały przy wykorzystaniu komercyjnego programu HyperChem. Od 1995 roku, grupa związana z prof. K. Parlińskim stopniowo powiększała się i w 1996 roku został utworzony w Instytucie Fizyki Jądrowej Zakład Komputerowych Badań Materiałów. Głównym polem zainteresowań Zakładu były badania struktury i własności dynamicznych kryształów oraz związane z tym efekty, takie jak: własności termodynamiczne, przejścia fazowe i własności elastyczne. Rachunki bazowały na obliczeniach kwantowo mechanicznych zaimple mentowanych w programach CASTEP i VASP. Programy te wykorzystywane były do wyznaczania optymalnych wartości położeń atomów, parametrów sieci krystalicznej i sił międzyatomowych. Obliczenia własności dynamicznych bazowały na opracowanej przez prof. K. Parlińskiego metodzie bezpośredniej, zaimplementowanej w programie PHONON. W obliczeniach tych używa się pojęcia superkomórki będącej wielokrotnością komórki elementarnej. Początkowo, badanymi układami były dość proste kryształy niemetaliczne, których superkomórki zawierały nie więcej niż osiemdziesiąt atomów. Do dokładnego wyliczenia gęstości elektronowych wystarczał zwykle jeden punkt w sieci odwrotnej. Pierwsze prace, w których brałam udział, zostały opublikowane w 1999 roku. Dotyczyły one obliczeń dla prostych układów: TiC o strukturze chlorku sodu [15] i domieszkowanego atomami aluminium kryształu GaAs [14]. W pierwszym przypadku, superkomórka była podwojoną w każdym kierunku komórką elementarną i zawierała 64 atomy. W drugim przypadku, superkomórka o wymiarach 1x1x1 zawierała 8 atomów, a nieuporządkowany stop został przybliżony uporządkowaną strukturą o zadanej koncentracji. Mimo stosowania znaczących uproszczeń, wyliczone krzywe dyspersji fononów zadowalająco odwzorowywały dane eksperymentalne. Ponadto, obliczenia pozwoliły na wyznaczenie stałych elastycznych w krysztale TiC, i na przeanalizowanie wpływu domieszki Al na krzywe dyspersji fononów i gęstości stanów fononowych w stopie (Ga,Al)As. Będace wtedy, w mojej dyspozycji moce obliczeniowe, nie pozwoliły na przeprowadzenie rachunków ab initio dla YBa2Cu3O7. Od lipca 1998 roku do końca 2002 roku przebywałam na urlopie macierzyńskim i wychowawczym w związku z urodzeniem dwóch synów: Andrzeja w 1998 roku i Krzysztofa w 1999 roku. Po powrocie do pracy w styczniu 2003 roku kontynuowałam pracę w Zakładzie Komputerowych Badań Materiałów. Następujący w tym czasie bardzo szybki wzrost mocy obliczeniowych pozwolił na badanie układów o bardziej skomplikowanych strukturach krystalicznych i elektronowych. Moja praca skupiła się głównie na badaniach strukturalnych przejść fazowych i stabilności struktur niewystępujących naturalnie. Wyniki tych badań opisane zostały w 16 publikacjach, z których 7 tworzy monotematyczny cykl zatytuowany Dynamika sieci krystalicznej a stabilność kryształów i struktur wielowarstwowych, które uważam za najbardziej istotne w mojej pracy po uzyskaniu stopnia doktora. Prace te zostały przedstawione jako moja rozprawa habilitacyjna. Pierwsze trzy prace cyklu dotyczą badania przejść fazowych w kryształach ZrO2 [16,17] i MgSiO3 [18]. Kolejne dwie prace, zainspirowane przez prof. J. Koreckiego, dotyczą badania stabilności wielowarstw Fe/Au [19,20]. W pracach przedstawiono wyniki oparte na szczegółowej analizie obliczeń ab initio i porównano je z istniejącymi już danymi eksperymentalnymi. Ostatnie dwie prace, dotyczące metastabilnej fazy bcc w kobalcie [24] i fazy L10 w FePt [28] wykonane zostały przy współudziale grupy eksperymentalnej z Katolickiego Uniwersytetu w Leuven. Problematyka poruszana w tych siedmiu pracach oraz uzyskane wyniki zostały szczegółowo opisane w dalszej części Autoreferatu. Pozostałe prace są głównie związane z tematyką aktualnie wykonywanych projektów badawczych. Prace wykonane w ramach projektu COST 19 ( Multiscale modeling of materials ) obejmowały badanie materiałów o bardzo różnych własnościach: paramagnetyczny, międzymetaliczny związek Mo3Sb7. Materiał ten jest nadprzewodnikiem z temperaturą krytyczną Tc=2.2 K. Co prawda prace doświadczalne sugerowały, że za

7 załącznik 2 autoreferat 5 własności nadprzewodzące odpowiedzialne jest konwencjonalne sprzężenie elektron fonon, pewne anomalne własności tego materiału wskazywały na ważną rolę fluktuacji spinowych. Przeprowadzone rachunki ab initio struktury elektronowej oraz widm fononowych pozwoliły sklasyfikować Mo3Sb7 jako nadprzewodnik o średnim sprzężeniu elektron fonon. Fluktuacje spinowe istnieją w tym materiale, ale oddziaływanie elektron paramagnon nie może być zbyt silne [21]. Wyliczone fononowe krzywe dyspersji i fononowe gęstości stanów znalazły potwierdzenie w widmach zmierzonych przy pomocy nieelastycznego rozpraszaniu neutronów [32]. nieuporządkowane stopy FeCr w fazach α i σ [27]. Badanie dynamiki sieci w nieuporządkowanych stopach metodami ab initio jest bardzo trudne ze względu na olbrzymią liczbę możliwych konfiguracji atomów w sieci krystalicznej stopu. Tym niemniej okazało się, że wyliczone przy przyjęciu kilku odpowiednio wybranych konfiguracji częściowe gęstości stanów fononowych dla Fe w fazach α i σ stopów FeCr dobrze korespondują z gęstościami zmierzonymi przy użyciu metody NRIXS ( nuclear resonant inelastic X ray scattering) [27]. magnetokaloryczny związek MnAs [25]. Magnetycznemu przejściu fazowemu zachodzącemu w temperaturze 315 K towarzyszy bardzo duża zmiana entropii. Wyliczone relacje dyspersji fononów pokazały mięknięcie modu optycznego w punkcie o wysokiej symetrii M, co indukuje wystąpienie strukturalnego przejścia fazowego z fazy heksagonalnej do rombowej, prowadzące do rozporządkowania momentów magnetycznych i zaniku całkowitej magnetyzacji. Pokazano, że duża zmiana entropii nie jest powodowana drganiami sieci. W międzynarodowym projekcie geofizycznym C2C ( Crust to core fate of the subducted material ), nasza grupa odpowiedzialna była za wykonanie obliczeń i przeprowadzenie analizy własności strukturalnych i elektronowych następujących minerałów: ortokrzemianów magnezu i żelaza, Mg2 xfexsio4, ważnych minerałów występujących we wnętrzu Ziemi. Wyliczono i zaprezentowano w kilku publikacjach ich własności dynamiczne, elektronowe i magnetyczne [23,26,30,31]. Zbadano stabilność różnych faz Mg2SiO4 w zależności od ciśnienia i temperatury. brucytu, Mg(OH)2 [29]. Wykonano obliczenia struktury i własności elastycznych, a także zbadano zachowanie atomów wodoru w różnych temperaturach metodą dynamiki molekularnej. Pokazano, że atomy wodoru są słabo związane z pozostałymi atomami w krysztale. kanemitu, NaHSi2O5 3H2O [22], minerału o skomplikowanej strukturze z 72 atomami w komórce elementarnej. Jego własności fizyczne są silnie związane z wiązaniami wodorowymi, dlatego też nasze badania nad strukturą i dynamiką sieci w dużej mierze poświęcone były temu zagadnieniu. Wykazano, że stabilność układu w niskich temperaturach wymaga wprowadzenia dodatkowego wiązania wodorowego, które z kolei obniża symetrię kryształu sugerując możliwe przejścia fazowe. Podsumowując, moje zainteresowanie fizyką ewoluowało od fizyki jądrowej, poprzez metody fizyki jądrowej stosowane w badaniach materiałów do fizyki skondensowanej fazy materii. Od fizyki doświadczalnej, poprzez obliczenia oparte na modelach fenomenologicznych do obliczeń z pierwszych zasad. Badania obejmowały materiały o bardzo różnych własnościach i dotykały różnorodnej problematyki. Powstawały one często we współpracy z grupami świetnie rozumiejącymi badane zjawiska, co pozwoliło na wymianę doświadczeń i przygotowanie dobrych prac publikowanych w czasopismach o wysokim Impact Factorze (Załącznik 4, str. 1). Wyniki prac prezentowane były na konferencjach o międzynarodowym zasięgu (Załącznik 5, str. 3), m.in podczas serii spotkań Workshop on ab initio phonon calculations organizowanych przez naszą grupę. Badania, zakupy komputerów i oprogramowania, były głównie finansowane w ramach kilku polskich i europejskich grantów badawczych (Załącznik 5, str. 2).

8 6 autoreferat załącznik 2 Obecna działalność naukowa Moja obecna działalność naukowa skupia się na kontynuowaniu badań nad uporządkowanymi stopami i nanostrukturami FePt. Ta problematyka stanowi jeden z tematów badawczych projektu COST European Cooperation in Science and Technology Action MP0903 Nanoalloys as advanced materials: from structure to properties and applications (NANOALLOY), oraz projektu NCN Badanie własności strukturalnych, dynamicznych i magnetycznych nanocząstek, wielowarstw, cienkich warstw i powierzchni zawierających metale przejściowe i ziemie rzadkie metodami obliczeniowymi z pierwszych zasad. Ponadto w ramach projektu Opracowanie technologii otrzymywania nowoczesnych materiałów półprzewodnikowych na bazie węglika krzemu (SICMAT ) zajmuję się badaniem defektów punktowych w SiC. Program obejmuje obliczenia energii formowania kryształu 6H SiC z kilkoma domieszkami: V, N, Al, B, umieszczonymi w różnych pozycjach krystalograficznych. Planowana jest też kontynuacja badań nad stopem FeCr zwłaszcza zależności gęstości stanów fononowych od koncentracji składników stopu i od temperatury. Badania te są inspirowane istniejącymi już wynikami eksperymentalnymi.

9 załącznik 2 autoreferat 7 Lista publikacji tworzących monotematyczny cykl p.t. Dynamika sieci krystalicznej a stabilność kryształów i struktur wielowarstwowych W nawiasach po moim nazwisku podaję wkład procentowy określający mój udział w danej pracy, a poniżej informacje o moim wkładzie w ich powstanie. [H1] Lattice vibrations in cubic, tetragonal and monoclinic phases of ZrO 2, M. Sternik (80%) and K. Parlinski, J. Chem. Phys. 122, (2005). Mój wkład w tę pracę: wykonanie wszystkich obliczeń przy użyciu oprogramowania VASP i PHONON, przeprowadzenie analizy wyników z odniesieniem do danych eksperymentalnych, przygotowanie manuskryptu. [H2] Free energy calculations of the cubic ZrO2 crystal as an example of a system with a soft mode, M. Sternik (80%) and K. Parlinski, J. Chem. Phys. 123, (2005). Wykonanie wszystkich obliczeń przy użyciu oprogramowania VASP i PHONON, napisanie programu do wyliczania anharmonicznego wkładu do energii swobodnej, przeprowadzenie analizy wyników, przygotowanie manuskryptu. [H3] Ab initio calculations of the stability and lattice dynamics of the MgSiO3 post perovskite, M. Sternik (80%) and K. Parlinski, J. Phys. Chem. Sol. 67, 796 (2006). Wykonanie wszystkich obliczeń przy użyciu oprogramowania VASP i PHONON, przeprowadzenie analizy wyników, wykonanie obliczeń wielkości opisujących własności termoelastyczne, opracowanie linii współistnienia faz, przygotowanie manuskryptu. [H4] Fem/Aun multilayers from first principles, M. Sternik (80%), K. Parlinski and J. Korecki, Phys. Rev. B 47, (2006). Wykonanie wszystkich obliczeń przy użyciu oprogramowania VASP i PHONON, przeprowadzenie analizy wyników, przygotowanie manuskryptu. [H5] First principles studies of the interlayer exchange coupling in fine layered Fe/Au multilayers, M. Sternik (80%) and K. Parlinski, Phys. Rev. B 75, (2007). Wykonanie wszystkie obliczeń przy użyciu programu VASP, przeprowadzenie analizę wielkości momentów magnetycznych, wyliczenie parametru sprzężenia w zależności od grubości warstwy magnetycznej i niemagnetycznej, napisanie manuskryptu. [H6] Probing the dynamical properties of the metastable bcc FexCo1 x phase, B. Laenens, N. Planckaert, M. Sternik (45 %), P. T. Jochym, K. Parlinski, A.Vantomme and J. Meersschaut, Phys. Rev. B79, (2009). Wykonanie wszystkich obliczeń przy użyciu oprogramowania VASP i PHONON, przeprowadzenie analizy wyników, przygotowanie części manuskryptu dotyczącej metody obliczeniowej i analizy wyników teoretycznych. [H7] Anisotropic lattice dynamics of FePt L10 thin films, S. Couet, M. Sternik (45 %), B. Laenens, A. Siegel, K. Parlinski, N. Planckaert, F. Gröstlinger, A.I. Chumakov, R. Rüffer, B. Sepioł, K. Temst, and A. Vantomme, Phys.Rev. B 82, (2010). Wykonanie obliczeń przy użyciu oprogramowania VASP i PHONON (oprócz pierwszych testów wykonanych przez A. Siegel), przeprowadzenie analizy wyników, przygotowanie części manuskryptu dotyczącej metody obliczeniowej i analizy wyników teoretycznych.

10 8 autoreferat załącznik 2 Wprowadzenie Metody obliczeniowe oparte na teorii funkcjonału gęstości (Density Functional Theory DFT) mają obecnie w fizyce ciała stałego ustaloną pozycję w badaniach materiałowych dotyczących struktury materiałów, ich własności elektronowych, magnetycznych i dynamicznych. W przedstawionych powyżej pracach zostały one wykorzystane w celu określenia stabilności faz kryształów występujących naturalnie w przyrodzie, a także dla potwierdzenia stabilności lub wypracowania metody stabilizacji struktur sztucznie wyprodukowanych w laboratorium. Omówienie dotyczy publikacji poświęconych badaniu materiałów o dużym znaczeniu ze względów poznawczych i technologicznych: ZrO2 dwutlenek cyrkonu, to materiał ceramiczny, którego własności mechaniczne, a także niska reaktywność w reakcjach chemicznych i wysoka temperatura topnienia przyczyniły się do tego, iż jest on bardzo szeroko stosowany, od zastosowań medycznych po inżynieryjne. MgSiO3 krzemian magnezu to minerał o najwyższej abundancji w dolnym płaszczu Ziemi. Jego struktura krystaliczna zmienia się ze wzrostem ciśnieniem i temperatury wpływając na prędkość fal sejsmicznych. Wielowarstwy Fe/Au nie występują w tej formie w przyrodzie lecz możliwość produkcji takich układów pojawiła się wraz z rozwojem technik epitaksjalnego wzrostu cienkich warstw (molecular beam epitaxy). Układy takie są wykorzystywane m.in. w spintronice w formie zaworów spinowych, między innymi do produkcji pamięci magnetycznych. Uporządkowany stop FePt występujący naturalnie w przyrodzie w fazie L10 jest szczególnym przypadkiem wielowarstwy składającej się z naprzemiennie ułożonych monatomowych warstw Fe i Pt. Ze względu na własności magnetyczne stop ten jest wykorzystywany do produkcji głowic odczytujących w napędach twardych dysków. bcc Co faza kobaltu, która nie występuje w warunkach naturalnych. Może być wyprodukowana w laboratorium. Pierwszym krokiem w pracach nad tymi materiałami była optymalizacja stałych sieci i położeń atomów w litych kryształach oraz odległości międzywarstwowych i ewentualnych relaksacji atomów w materiałach wielowarstwowych. Te dane otrzymane zostały przy zastosowaniu programu VASP (Vienna Ab Initio Simulation Package) opracowanego na Uniwersytecie Wiedeńskim. Metoda DFT wykorzystywana w tym programie pozwala na znalezienie stanu podstawowego kryształu poprzez minimalizację całkowitej energii ze względu na rozkład elektronów oraz parametrów sieci krystalicznej i położeń atomów. Zastosowanie metody uwzględniającej rozkład spinów w górę i w dół (spin polarized method) pozwala na badanie materiałów magnetycznych jakimi są wielowarstwy Fe/Au, kryształ kobaltu, czy uporządkowane stopy FePt. Kolejny krok to wyliczenie sił generowanych na każdym atomie po wychyleniu jednego z atomów z położenia równowagi (tzw. siły Hellmanna Feynmana). Siły te wykorzystane są we wspomnianej już metodzie bezpośredniej do wyliczenia stałych siłowych i skonstruowania macierzy dynamicznej. Diagonalizacja macierzy dynamicznej daje wartości własne energii i wektory własne (wektory polaryzacji) wibracyjnych modów sieci krystalicznej. Napisany przez prof. K. Parlinskiego program PHONON oparty na tej metodzie, posłużył do wyliczenia krzywych dyspersji fononów, fononowych gęstości stanów, a także funkcji termodynamicznych związanych z drganiami sieci. Wszystkie te wielkości są wyliczane w przybliżeniu harmonicznym. Obliczone funkcje mają duże znaczenie dla badania stabilności faz kryształów, gdyż w większości przypadków to właśnie fonony mają znaczący wpływ na własności termodynamiczne kryształów. W kryształach temperaturowy zakres stabilności danej struktury przy ciśnieniu p=0 można określić porównując energie swobodne możliwych faz krystalicznych:

11 załącznik 2 autoreferat 9 F(T)=U+Fvib(T), gdzie U energia wewnętrzna stanu podstawowego wyznaczana metodą DFT (całkowita energia stanu podstawowego), a Fvib(T) wibracyjna energia swobodna wyznaczona z widma fononowego. Faza o najniższej energii swobodnej F(T) dla ustalonej temperatury jest fazą stabilną [H1,H2]. Do badania stabilności faz pod niezerowym ciśnieniem trzeba użyć funkcji entalpii swobodnej Gibbsa: G(p,T)=F(T)+pV, gdzie p i V to zewnętrzne ciśnienie i objętość układu przy tej wartości ciśnienia [H3]. Rachunki metodą DFT są wykonywane przy założeniu, że temperatura układu wynosi zero kelwinów, więc krzywe dyspersji fononów i fononowe gęstości stanów wyliczone dla zoptymalizowanej struktury odnoszą się do objętości i położeń atomów ustalonych dla T = 0 K. Możliwe jest wprowadzenie korekty temperaturowej spowodowanej termiczną rozszerzalnością kryształów dla widm fononowych przy założeniu, że częstości fononów zależą od objętości kryształu (tzw. przybliżenie kwaziharmoniczne). To podejście prowadzi do następującego wyrażenia na na energię swobodną: F(V,T)=U(V)+Fvib(V,T). Ponieważ konieczne jest wykonanie obliczeń dla wielu objętości, cała procedura wydłuża znacząco rachunki. Tym niemniej, ze wzrostem mocy obliczeniowej komputerów metoda to jest obecnie standartowo stosowana. Przybliżenie kwaziharmoniczne zostało zastosowane do wyznaczenia diagramu fazowego MgSiO3 [H3]. Widma fononowe wyliczone w przybliżeniu harmonicznym mogą zawierać częstości urojone (tzw. miękkie mody). Oznacza to, że z punktu widzenia dynamiki sieci taki układ jest niestabilny. Rozważając badaną strukturę z punktu widzenia energii układu, ta sytuacja odpowiada przypadkowi gdy oddziaływania międzyatomowe powodują, że badana struktura zajmuje miejsce w punkcie siodłowym na powierzchni energii, a nie jak to jest w przypadku struktur statycznie stabilnych w minimum energii. W podwyższonej temperaturze, gdy przyczynek od entropii wibracyjnej staje się wystarczająco duży, obniżenie wartości energii swobodnej może stabilizować układ jak to ma miejsce w przypadku kubicznego dwutlenku cyrkonu. Ponieważ w chwili obecnej nie ma dobrej metody bazującej na rachunkach ab initio do wyliczenia energii swobodnej kryształu w obecności anharmonicznych miękkich modów, strukturalne przejście fazowe pomiędzy kubiczną i tetragonalną strukturą w ZrO 2 nie zostało poprawnie opisane [H2]. Można także ustabilizować daną strukturę z modami o urojonych częstościach, zdejmując nałożone w rachunkach warunki symetrii i pozwalając na relaksację atomów zgodnie z drganiami związanymi z miękkim modem. Ponowna optymalizacja położeń atomów i parametrów sieci może doprowadzić do uzyskania stabilnej struktury o niższej energii ale też o niższej symetrii. Metoda ta została zastosowana w celu określenia relaksacji atomów koniecznej do ustabilizowania dwóch struktur wielowarstwowych: Fe1/Au1 i Fe1/Au3 [H4]. W wyniku przeprowadzonych obliczeń stwierdzono, że perfekcyjna struktura warstwowa Fe1/Au1 jest niestabilna, w odróżnieniu od struktury Fe1/Pt1, która występuje naturalnie jako uporządkowany stop FePt (struktura L10) [H7]. Wielowarstwowe struktury, składające się z naprzemiennie ułożonych warstw magnetycznych i niemagnetycznych, mają szereg bardzo ciekawych własności. W niniejszym opracowaniu przedstawiam pracę poświęconą oddziaływaniom magnetycznym w stabilnych warstwach Fem/Aun o różnych grubościach warstwy magnetycznej (m) i niemagnetycznej (n) [H5]. Kolejną metodą stabilizacji układu może być umieszczenie niestabilnej struktury na odpowiednim podłożu lub wprowadzenie domieszek do układu, jak to ma miejsce w przypadku

12 10 autoreferat załącznik 2 fazy bcc kobaltu stabilizowanej atomami żelaza [H6]. Stabilizacja może nastąpić zarówno poprzez mechaniczne wymuszenie zmiany położeń atomów (wprowadzenie naprężeń w układzie) jak i poprzez zmianę stałych siłowych w oddziaływaniach międzyatomowych. Omówienie poszczególnych publikacji (Wszystkie rysunki i tabele zamieszczone w tej części omówienia pochodzą z publikacji [H1] [H7] przedsta wionych na stronie 7 autoreferatu) [H1] W warunkach ciśnienia atmosferycznego, ZrO2 krystalizyje w trzech fazach. Wraz ze wzrostem temperatury zachodzą kolejne przejścia fazowe z fazy jednoskośnej do tetragonalnej i z fazy tetragonalnej do kubicznej. Z wcześniejszych analiz opartych na teorii grup wynika, że przejście z fazy kubicznej do tetragonalnej związane jest z kondensacją miękkiego modu X, a za 2 kolejne przejście fazowe do struktury jednoskośnej odpowiada kolejna kondensacja miękkiego modu w punkcie M strefy Brillouina struktury tetragonalnej. Na krzywych dyspersji wyliczonych przez Prof. K. Parlinskiego w 1997 roku dla fazy kubicznej, zaobserwowano rzeczywiście bardzo wyraźny miękki mod w punkcie X związany z drganiem atomów tlenu. Rysunek 1. Krzywe dyspersji fononów dla trzech faz ZrO2 (od lewej dla fazy: kubicznej, tetragonalnej i jednoskośnej). Głównym celem pracy było wyznaczenie krzywych dyspersji fononów dla wszystkich trzech faz ZrO2 i zbadanie strukturalnego przejścia fazowego z fazy jednoskośnej do tetragonalnej. Obliczenia potwierdziły istnienie urojonych częstości w widmie fononowym dla fazy kubicznej (pokazane jako gałąź dyspersji z ujemnymi częstościami na Rys. 1), natomiast na krzywych dyspersji dla fazy tetragonalnej i jednoskośnej wszystkie częstości są rzeczywiste. W szczególności nie zaobserwowa no spodziewanego mięknięcia modu fononowego w punkcie M w fazie tetragonalnej (Rys. 1). Przy wyliczaniu krzywych dyspersji dodany został człon związany z rozszczepieniem LO TO w punkcie Г spowodowanym wpływem makroskopowego pola elektrycznego generowanego w kryształach polarnych na drgania aktywne w podczerwieni. W fazie jednoskośnej i tetragonalnej powoduje ono powstanie nieciągłości krzywych dyspersji w punkcie Г. W krysztale kubicznym ze względu na symetrię nie ma tego efektu. Przeanalizowano częstości drgań w punktach wysokiej symetrii, a porównanie częstości w punktach Г z częstościami zmierzonymi metodami spektroskopii ramanowskiej i absorpcji w podczerwieni pokazały, że są one odtworzone z zadowalającą dokładnością. Ponieważ w fazie tetragonalnej i jednoskośnej wszystkie drgania posiadają częstości rzeczywiste, wyliczono energię swobodną kryształu z widma fononowego. Krzywe opisujące energie swobodne dla obu faz przecinają się dając temperaturę przejścia fazowego Tc=1560 K, która dość dobrze odtwarza wyznaczaną eksperymentalnie wartość około 1400 K (Rys. 2).

13 załącznik 2 autoreferat 11 Rysunek 2. Różnica energii swobodnej pomiędzy fazą tetragonalną a jednoskośną dla ZrO2. [H2] Aby określić zakres stabilności fazy tetragonalnej ZrO2, tzn. temperaturę przejścia z fazy tetragonalnej do kubicznej, konieczne było wyliczenie energii swobodnej kryształu w przypadku gdy w widmie fononowym występują częstości urojone (faza kubiczna). W pracy podjęta została próba sprawdzenia koncepcji, w której urojone częstości potraktowane zostały jako nieoddziałujące anharmoniczne drgania w potencjale o kształcie podwójnej studni. Podwójna studnia potencjału opisana została na dwa sposoby: jako funkcja paraboliczna plus funkcja Gaussa, w postaci wielomianu czwartego rzędu. Pierwsze podejście pozwala na włączenie anharmonicznych drgań do obliczeń kwantowo mechanicznych tak jak to jest robione w przybliżeniu harmonicznym. W drugim przypadku konieczne było zastosowanie podejścia klasycznego. Analizę drgań anharmonicznych rozpoczęto od wyliczenia zależności energii stanu podstawowego kryształu od amplitudy miękkiego modu (Rys. 3a). Amplituda miękkiego modu X opisana może być także jako wychylenie atomów tlenu z położenia równowagi, d. Funkcja 2 z energii posiada kształt podwójnej studni potencjału z minimum w punktach dz=±0.042 Rysunek 3. Zależność energii całkowitej kryształu ZrO2 (a), sił Hellmanna-Feynmana wygenerowanych na atomie tlenu (b) oraz częstości miękkiego modu (c) od amplitudy miękkiego modu. i wysokością bariery równą 0.07 ev/zro2, przy dz = 0. Zgodnie z przewidywaniami, w punktach minimum siła Hellmanna Feynmana jest równa zeru (Rys. 3b), a częstości miękkiego modu stają

14 12 autoreferat załącznik 2 się rzeczywiste (Rys. 3c). Obliczona wartość parametru dz opisująca położeniu atomu tlenu w komórce tetragonalnej dz=0.042, jest zgodna z wynikami badań eksperymentalnych. Energia swobodna kryształu została obliczona oddzielnie dla modów harmonicznych i anharmonicznych. Całkowita energia swobodna równa jest sumie obydwu przyczynków. Przyczynek od modów harmonicznych do energii swobodnej fazy kubicznej (linia ciągła na Rys. 4) został porównany z wartością całkowitej energii swobodnej, która zawiera także przyczynek od modów anharmonicznych, obliczonych z potencjałem parabola+gauss (linia przerywana na Rys. 4) oraz potencjałem w formie wielomianu czwartego rzędu (linia kropkowana na Rys. 4). Drgania anharmoniczne obniżają energią swobodną układu, chociaż w drugim przypadku zmiana jest mniejsza. Rysunek 4: Różnica energii swobodnych wyliczonych dla fazy kubicznej i tetragonalnej względem energii swobodnej fazy monoklinicznej dla ZrO2. Dla fazy kubicznej prezentowane są trzy krzywe: linia ciągła wkład do energii swobodnej od drgań harmonicznych, linia kropkowana energia swobodna zawierająca wkład drgań anharmonicznych obliczonych z potencjałem w formie wielomianu 4-tego rzędu, linia przerywana - energia swobodna zawierająca wkład drgań anharmonicznych obliczonych z potencjałem w formie parabola + gauss Niestety, oba podejścia nie redukują energii swobodnej wystarczająco do ustabilizowania fazy kubicznej kryształu ZrO2. Wydaje się zatem, że do pełnego opisu dynamiki sieci w przypadku układów z miękkimi modami konieczne jest uwzględnienie dodatkowo oddziaływania fonon fonon. Wszystkie obliczenia prezentowane w pracach [H1,H2] wykonano w przybliżeniu harmonicznym, dlatego zaniedbana została termiczna rozszerzalność kryształu. [H3] Praca dotyczy badania strukturalnego przejścia fazowego w krysztale MgSiO 3. W warunkach jakie panują w płaszczu Ziemi minerał MgSiO 3 krystalizuje w strukturze perowskitu. W 2004 roku, w dwóch niezależnych laboratoriach wytworzono, w temperaturze około 2500 K i pod ciśnieniem GPa, kryształy MgSiO 3 o innej strukturze, tzw. strukturze post perowskitu. Udało się także odtworzyć tę strukturę przy pomocy obliczeń ab initio w temperaturze zera kelwinów. Ciśnienie oraz temperatura w jakiej występuje faza post perowskitu odpowiada warunkom jakie panują na granicy pomiędzy płaszczem a rdzeniem Ziemi. Zmiana struktury MgSiO3 w tym obszarze tłumaczy obserwowane przez sejsmologów nieciągłości w prędkości rozchodzenia się fal dźwiękowych. Odkrycie nowej wysokociśnieniowej fazy MgSiO3 zainspirowało nas do wykonania obliczeń ab initio w celu określenia granicy stabilności obu faz w zależności od ciśnienia i temperatury. Obliczono dane strukturalne, krzywe dyspersji fononów oraz fononowe gęstości stanów dla obu faz pod różnymi ciśnieniami. Następnie, używając przybliżenia kwaziharmonicznego oszacowano energie swobodne obu faz oraz obliczono moduły ściśliwości i współczynniki rozszerzalności termicznej. Pokazano, że własności termoelastyczne obu faz prawie się nie różnią, nie mogą więc odpowiadać za nieciągłości prędkości dźwięku obserwowane w tej warstwie Ziemi. Prawdopodobnie są one związane z warstwową strukturą post perowskitu, która powoduje anizotropię ściśliwości wzdłuż różnych osi krystalograficznych. Wyznaczono także linię

15 załącznik 2 autoreferat 13 współistnienia obu faz na diagramie fazowym p T (Rys. 5). W wysokich temperaturach jest to prosta, której nachylenie jest zgodne z wynikami wcześniejszych obliczeń wykonanych inną metodą. Rysunek 5: Linia koegzystencji faz perowskitu (Pmnb) i post-perowskitu (Cmcm) MgSiO3. Na diagramie p-t. Kwadraty wskazują wartości ciśnień i temperatur, przy których obserwowano eksperymentalnie fazę post-perowskitu. Ref. 3 i Ref. 8 są cytowane publikacji [H3]. [H4] Korzystając z tych samych metod obliczeniowych, sprawdzono stabilność wielowarstw Fem/Aun (m,n liczba pojedynczych warstw Fe i Au) dla różnych kombinacji m i n. Wyliczona w pracy energia tworzenia dla tych struktur jest dodatnia, co pozwala wnioskować, że tworzenie wielowarstwowych układów Fe/Au jest energetycznie niekorzystne. Energia tworzenia przyjmuje największe wartości dla Fe1/Au1 i Fe3/Au1. Z punktu widzenia dynamiki sieci, tylko struktury wielowarstwowe zawierające jednoatomową warstwę żelaza lub złota są niestabilne. Dla wszystkich struktur tego typu krzywe dyspersji fononów wykazują istnienie miękkich modów (Rys. 6). Pozostałe wielowarstwy Fem/Aun (m>1 i n>1) są stabilne. Rysunek 6: Krzywe dyspersji fononów dla wielowarstw: (a) Fe1/Au1, (b) Fe1/Au2, (c) Fe1 /Au3, (d) /Fe1/Au5, (e) Fe2/Au2, (f) Fe2/Au4, (g) Fe3/Au3, (h) Fe3/Au1. Rysunek 7: Krzywe dyspersji fononów dla wielowarstw po relaksjacji atomów: (a) Fe1/Au1, (b) Fe1/Au3.

16 14 autoreferat załącznik 2 Obliczenia prowadzące do krzywych dyspersji fononów przedstawionych na rysunku 6 zostały wykonane dla struktur idealnych o optymalnych wartościach stałych sieci, w których atomy Au i Fe zajmują położenia o wysokiej symetrii. Stabilną konfigurację struktury wielowarstwowej można utworzyć poprzez kondensację miękkiego modu fononowego. Korzystając z wygenerowanego przez miękkie mody układu przesunięć atomów, znaleziono dynamicznie stabilne konfiguracje wielowarstw Fe 1/Au1 i Fe1/Au3 o o niższej symetrii (Rys. 7). W przypadku Fe1/Au3 okazało się konieczne dwukrotne zastosowanie tej procedury, gdyż struktura rombowa uzyskana po pierwszej optymalizacji była nadal niestabilna. Po rekonstrukcji całkowita energia układów uległa obniżeniu. Relaksacja obydwu wielowarstw związana jest z przesunięciem atomów Fe w płaszczyźnie (x,y), a atomów Au także wzdłuż osi z. Wyniki obliczeń odzwierciedlają fakty znane z eksperymentu. Produkcja dobrej jakości struktur wielowarstwowych Fem/Aun o grubości warstwy większej niż warstwa jednoatomowa jest potwierdzona w wielu eksperymentach, podczas gdy otrzymane warstwy Fe 1/Au1 wykazują zawsze ograniczony stopień uporządkowania. Proces porządkowania, w którym monoatomowe warstwy Au i Fe są ułożone naprzemiennie, tworząc strukturę Fe1/Au1, wydaje się być zaburzony przez złożony wzrost monowarstwy Fe na powierzchni Au. W obliczeniach zakładano ferromagnetyczne uporządkowanie momentów magnetycznych atomów żelaza. Zaobserwowano wzrost wartości momentów magnetycznych atomów żelaza w porównaniu z ich wartościami w litym krysztale Fe. Największy wzrost wartości momentów ma miejsce dla struktur zawierających monowarstwy Fe. Warstwy Au są słabo polaryzowane magnetycznie przez sąsiednie warstwy Fe. [H5] Wielowarstwy zbudowane z warstw magnetycznych przedzielonych warstwami niemagnetycznymi wzbudzają duże zainteresowanie ze względu na unikalne własności magnetyczne i możliwe zastosowania technologiczne. Kolejna praca została poświęcona w całości omówieniu badań oddziaływań magnetycznych w stabilnych strukturach wielowarstwowych Fen/Aum. Obliczenia zostały wykonane dla konfiguracji z równoległym i antyrównoległym uporządkowaniem sąsiednich warstw Fe, które wewnętrznie są uporządkowane ferromagnetycznie. Wartości momentów magnetycznych pozostają niezmienione niezależnie od tego czy rozpatrujemy ferro czy antyferromagnetyczne uporządkowanie kolejnych warstw Fe (Rys. 8). Warstwa żelaza indukuje momenty magnetyczne na atomach Au w tym samym kierunku co momenty magnetyczne atomów Fe. Rysunek 8. Rozkład wartości momentów magnetycznych w komórce Fe2/Au10 i Fe4/Au8 dla antyferromagnetycznego i ferromagnetycznego uporządkowania w kolejnych warstwach żelaza oddzielonych warstwą złota. Wartości momentów magnetycznych wyindukowanych na Au pomnożono przez 40.

17 załącznik 2 autoreferat 15 Z wyliczonego rozkładu momentów magnetycznych w różnych monowarstwach Fe i Au można wyciągnąć cztery ważne wnioski: momenty magnetyczne atomów Fe są największe dla atomów położonych w granicznej warstwie atomowej i jego wartość rośnie wraz ze wzrostem grubości warstwy Fe, momenty magnetyczne atomów Fe i Au w warstwie granicznej nie zależą od grubości warstwy niemagnetycznej Au, wyindukowane momenty magnetyczne atomów Au w warstwie granicznej są o rząd wielkości mniejsze od momentów magnetycznych atomów Fe, moment magnetyczny atomów Au w kolejnych monowarstwach maleje o rząd wielkości i spada do zera dla środkowej monowarstwy Au, dla warstw złota o grubości większej od trzech monowarstw. Głównym zadaniem pracy było określenie, która ze struktur dominuje dla różnych grubości warstw Fe i Au (Tabela 1). Pokazano, że ferromagnetyczne uporządkowanie występuje w układach z cienką warstwą Au, do 5 monowarstw atomowych, niezależnie od grubości warstwy Fe. Dla układu zawierającego 6 monowarstw Au inne uporządkowanie jest obserwowane dla struktur zawierających 2 lub 4 monowarstwy Fe aniżeli dla struktury zawierającej 6 monowarstw Fe. Struktura Fe6/Au6 jest jeszcze ferromagnetyczna podczas gdy struktury Fe2/Au6 i Fe4/Au6 wykazują uporządkowanie antyferromagnetyczne. Dla układu z 8 monowarstwami Au, uporządkowanie antyferromagnetyczne prowadzi do konfiguracji o najniższej energii. Tabela 1: Różnica energii całkowitych, ΔE = EAFM - EFM, dla antyferromagnetycznej i ferromagnetycznej konfiguracji momentów magnetycznych warstw żelaza przedzielonych warstwami złota o wzrastającej grubości. W nawiasie podano liczbę atomów tworzących każdą superkomórkę. Takie obliczenia muszą być wykonane bardzo dokładnie, gdyż porównując energie, które dla rozważnych superkomórek są rzędu setek elektonowoltów na superkomórkę trzeba wychwycić zmiany energii rzędu kilkudziesięciu milielektronowoltów. [H6] Praca prezentuje wyniki badań eksperymentalnych i teoretycznych kobaltu w metastabilnej fazie o strukturze bcc. Grupa eksperymentalna z Katolickiego Uniwersytetu w Leuven przygotowała próbki i wykonała pomiary fononowej gęstości stanów próbnika 57Fe wprowadzonego do kobaltu w stabilnej fazie o strukturze fcc i cienkiej warstwy metastabilnego kobaltu o strukturze bcc, stosując technikę jądrowego nieelastycznego rozpraszania promieniowania synchrotronowego. Metastabilna faza bcc Co została utworzona jako wielowarstwa z cienkich warstw bcc Fe 0.1Co0.9 umieszczonych pomiędzy warstwami bcc Fe: [56Fe(2.4 nm)/57fe0.1co0.9(1.7 nm)]20. Wyniki badań eksperymentalnych były inspiracją do przeprowadzenia teoretycznych obliczeń. Krzywe dyspersji fononów i fononowe gęstości stanów wyliczone dla czystych kryształów

18 16 autoreferat załącznik 2 fcc Co, bcc Co oraz dla supersieci bcc Fe 4/Co4 przedstawione są w lewym panelu Rys. 10. Jak widać tylko struktura fcc jest stabilna (wszystkie fononowe częstości są rzeczywiste). W naszych obliczeniach struktury o zadanej koncentracji domieszki zostały przybliżone poprzez modelowe superkomórki, w których jeden atom kobaltu został zastąpiony dodatkowym atomem żelaza. Otrzymana koncentracja atomów Fe w zdomieszkowanych strukturach, , była nieco niższa od wartości koncentracji żelaza w próbkach użytych w eksperymencie. Obliczone dla struktur zdomieszkowanych atomami żelaza fononowe relacje dyspersji przedstawione są w prawym panelu Rys. 10. Ilość atomów Fe wprowadzonych do fazy bcc Co wydaje się być niewystarczająca do ustabilizowania kryształu bcc Co, w przeciwieństwie do struktury wielowarstwowej bcc Fe4/Co4, która staje się stabilna. Rysunek 10: Relacje dyspersji fononów i fononowe gęstości stanów dla czystych kryształów fcc Co, bcc Co i dla supersieci bcc Fe4/Co4 (lewy panel) oraz dla tych samych struktur domieszkowanych atomami Fe (prawy panel). Podsumowując, dowiedziono, że metastabilna warstwa bcc Co umieszczona pomiędzy warstwami Fe może zostać ustabilizowana poprzez wprowadzenie do niej domieszek Fe. Atomy żelaza wprowadzone do struktury bcc Co powodują zwiększenie stałych siłowych i stabilizują swoje otoczenie w strukturze bcc wymuszonej przez sąsiednie warstwy bcc Fe. Tak więc zarówno warstwy Fe jak i atomy Fe wprowadzone do warstwy bcc Co grają ważną rolę w procesie stabilizacji fazy bcc Co. Dodatkowo, w rachunkach odtworzono przesunięcie piku o najwyższej częstości obserwowane dla fononowych gęstości stanów zmierzonych dla kryształów bcc Fe, bcc Fe 0.1Co0.9 i fcc Fe. [H7] Uporządkowany stop FePt o strukturze L10 jest strukturą wielowarstwową, która stosując ten sam zapis co dla wielowarstw Fem/Aun, możemy nazwać Fe1/Pt1. W przeciwieństwie do wielowarstwy Fe1/Au1 struktura wielowarstwowa Fe1/Pt1 jest dynamicznie stabilna, ponieważ wszystkie wyliczone częstości fononów są rzeczywiste.

19 załącznik 2 autoreferat 17 Celem pracy było zbadanie fononowych gęstości stanów dla dwóch różnych kierunków krystalograficznych w stopie FePt. Grupa eksperymentalna z Katolickiego Uniwersytetu w Leuven przeprowadziła pomiary gęstości stanów fononowych dla dwóch warstw FePt o grubości trzydziestu nanometrów wyhodowanych na dwóch powierzchniach podłoża: Mg(100) oraz Mg(110). Pozwoliło to na pomiar częściowych widm fononowych atomów Fe dla dwóch kierunków odpowiadających kierunkom (1,0,0) i (1,0,1) w tetragonalnym krysztale FePt. Następnie wyliczono fononowe gęstości stanów także dla kierunku (0,0,1) czyli wzdłuż tetragonalnej osi c. Pokazano, że drgania obserwowane wzdłuż osi a występują w szerokim zakresie częstości, w przeciwieństwie do drgań wzdłuż osi c gdzie głównie występuje jeden mod o energii około 29 mev. Silna anizotropia fononowych gęs tości stanów wzdłuż osi a i c kryształu znalazła potwierdzenie w obliczeniach ab initio (Rys. 11). Rysunek 11: Gęstość stanów fononowych atomów Fe zmierzona (czarne punkty) i wyliczona (czerwona linia ciągła) wzdłuż trzech kierunków w krysztale FePt. Biorąc pod uwagę fakt, że wyniki eksperymentalne odzwierciedlają głównie dynamiczne zachowanie monowarstw znajdujących się w pobliżu powierzchni próbki, wykonano dodatkowe obliczenia dla układu złożonego z trzech warstw podwójnych FePt symulującego próbkę o orientacji (0,0,1) z dwoma swobodnymi powierzchniami Fe i Pt. Porównanie wyników obliczeń z eksperymentem pozwala wnioskować, że na powierzchni wielowarstwy FePt(100) znajduje się monowarstwa atomów Pt. Monowarstwa atomów Fe na powierzchni dawałaby duży przyczynek w niskoenergetycznej części widma, nie obserwowany w eksperymencie. Podsumowanie Trzy pierwsze z prezentowanych prac dotyczą określenia granic stabilności różnych faz w litych kryształach. Przedstawiono wyniki obliczeń wykonanych w przybliżeniu harmonicznym dla ZrO2 pod zerowym ciśnieniem i w przybliżeniu kwaziharmonicznym dla kryształu MgSiO3 pod wpływem zewnętrznego ciśnienia [H3]. Najważniejsze osiągnięcia tych prac to: wyliczenie i przeanalizowanie krzywych dyspersji fononów dla wszystkich trzech faz ZrO 2 pod zerowym ciśnieniu, wyznaczenie energii swobodnych dla fazy tetragonalnej i jednoskośnej ZrO2, co pozwoliło na określenie tego przejścia fazowego jako przejście I rodzaju i wyznaczenie temperatury

20 18 autoreferat załącznik 2 przejścia, wykazanie, że przybliżenie nieoddziałujących drgań anharmonicznych w podwójnej studni potencjału nie redukuje dostatecznie energii swobodnej kryształu, by opisać przejście fazowe z miękkim modem fononowym, wyznaczenie linii współistnienia fazy perowskitu i post perowskitu MgSiO 3 na diagramie p T, wykazanie, że własności termoelastyczne obu faz MgSiO3 występujących w płaszczu Ziemi prawie się nie różnią. Kolejne dwie prace [H4] i [H5], dotyczą badań stabilności i własności magnetycznych sztucznie wytwarzanych struktur wielowarstwowych Fem/Aun. Ograniczona stabilność struktur Fem/Aun o niskiej periodyczności, tłumaczy trudności przy produkcji materiałów z jednoatomową warstwą Fe lub Au. Pokazano, jak można uzyskać stabilne struktury Fe 1/Au1 oraz Fe1/Au3 pozwalając na relaksację odpowiadającą przesunięciom atomów zgodnie z miękkim modem. Przedstawiono stabilne struktury wielowarstwowe Fe1/Au1 oraz Fe1/Au3 po relaksacji atomów. Obliczenia przeprowadzone z uwzględnieniem polaryzacji spinowej, pozwoliły na wyznaczenie rozkładu wartości momentów magnetycznych w poszczególnych monowarstwach. Wykazano, że przy grubości warstwy Au powyżej pięciu monowarstw, uporządkowanie magnetyczne pomiędzy warstwami żelaza rozdzielonymi tą warstwą zmienia się z ferromagnetycznego na antyferromagnetyczne. Dla porównania, w pracy [H7] pokazano wyniki obliczeń własności dynamicznych uporządkowanego stopu FePt, który jest przykładem struktury wielowarstwowej Fe 1/Pt1 występującej w warunkach naturalnych. W obliczeniach potwierdzono eksperymentalnie wyznaczoną anizotropię gęstości stanów fononowych. Należy się spodziewać, że podobną anizotropią wibracyjną charakteryzują się też inne struktury wielowarstwowe. Ponadto pokazano, że strukturę wielowarstwową Fe1/Pt1 kończy monowarstwa Pt. Praca [H6] poświęcona jest problemowi stabilizacji niewystępującej naturalnie metastabilnej fazy bcc kobaltu. Pokazano, że bcc Co jest dynamicznie niestabilny. Jednakże, zarówno eksperymentalne jak i teoretyczne badania pokazały, że warstwa kobaltu o strukturze bc Co umieszczona pomiędzy dwoma warstwami bcc Fe może być ustabilizowana przy domieszkowaniu atomami Fe. W publikacjach [H1 H5] przedstawiono rezultaty obliczeń ab initio, które w dużej mierze były inspirowane istniejącymi wynikami eksperymentalnymi. Prace [H6] i [H7] były wykonane wspólnie z grupą eksperymentalną z Katolickiego Uniwersytetu w Leuven. Zawierają one zarówno wyniki doświadczalne, jak i rezultaty teoretycznych obliczeń ab initio.