Магнитные свойства низкоразмерных металлических систем тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

СП

СП

СЙЖТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ^ УНИВЕРСИТЕТ

Г.___

На правах рукописи УДК 538.11

УЗ ДИН Валерий Моисеевич

МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА НИЗКОРАЗМЕРНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СИСТЕМ

01.04.07 - Физика твердого тела

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Санкт-Петербург 1997

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете

Официальные оппоненты : Доктор физико-математических наук,

профессор Ю. А. МАМАЕВ . Доктор физико-математических наук, профессор И.А. МЕРКУЛОВ. Доктор физико-математических наук, профессор Е. Д. ТРИФОНОВ.

Ведущая организация - Уральский государственный университет.

Защита состоится $$ 1997 г. в 1530 час. на заседании

диссертационного совета Д 063.57.32 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора физко-математических наук в Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: 199034, г. Санкт-Петербург, Университетская наб., 7/9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского университета.

Автореферат разослан

1997 г.

Ученый секретарь совета доктор фю.-мат. наук, профессор

(В .А.Соловьев)

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Искусственно создаваемые низкоразмерные магнитные структуры - монослои па поверхности, сэндвичи, металлические сверхрешетки - привлекают последнее время особый интерес в физике конденсированного состояния. С одной стороны это связано с развитием технологий, позволяющих создавать такие системы с контролируемой точностью и возможностями их практического использования в микроэлектронике, с другой - с открытием новых физических закономерностей, приводящих к иному взгляду па саму природу магнетизма. Достаточно упомянуть обнаружение антиферромагнитной обменной связи и гигантского магнетосопротивления в металлических сверхрсшетках и сэндвичах, которые дали массу новой информации относительно механизма обмешшх взаимодействий в низкоразмерных магнитных системах [1].

Несмотря на большое число публикаций, появившихся в этой области, многие фундаментальные проблемы теории ннзкоразмерных магнитных систем остаются далекими от завершения. Важной особенностью, затрудняющей их теоретическое описание, является принципиальная необходимость учета неидеальности, такой как шероховатость поверхностей и интерфейсов, паличие адсорбированных атомов, влияние подножки и т. п. , которые часто приводят к качественному изменению всех физических свойств, наблюдаемых в эксперименте.

В связи с указанным обстоятельством возникает задача создания теории ннзкоразмерных магнитных систем, способной описать их элек-тронпуто и магнитную структуру при учете пространстветшой неодно-

родности в плоскости и показать к какому изменению физических свойств приводит такая неидеальностъ. Развитие последовательной теории для расчета пространственного распределения магнитных моментов в указанных системах оказывается чрезвычайно важно как с точки зрения возможности интерпретации данных, полученных с помощью различных экспериментальных методик, так и для понимания механизмов происходящих в них физических явлений.

Помимо большого научного значения, заключающегося в дальнейшем уточнении и углублении основных физических представлений об электронной структуре и свойствах реальных металлов, особенно в условиях когда сильная пространственная неоднородность вызывает эффективное сокращение размерности системы, такое рассмотрение важно и с практической точки зрения, поскольку представляет собой необходимый этап в решении задачи создания миниатюрных искусственных систем с наперед заданными свойствами, использование которых обещает качественные изменения в микроэлекгронике и вычислительной технике.

Цель работы состоит в построении теоретического подхода к описанию электронной и магнитной структуры металлических поверхностей интерфейсов, сверхрешеток и других систем пониженной размерности в условиях, когда пространственная однородность нарушена в плоскости. Он основывается на методе модельных гамильтонианов и предполагает решение уравнений для функций Грина методом рекурсий в реальном пространстве. Теория содержит минимальное число феноменологических параметров, определяемых из условия воспроизведения магнитных характеристик массивного образца. Разработанные быстрые алгоритмы, использующие аналитический подход вместо численного

интегрирования, обеспечивают скорость согласования в сотни раз более высокую, чем в стандартной методике [2]. Это позволяет проводить расчет неидсальных систем, с негладкими интерфейсами при учете интердиффузии, что в свою очередь дает возможность проводить сравнение полученных результатов с данными реальных экспериментов.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые - На основе точного микроскопического гамильто1шана выведены уравнения для описания электронной подсистемы металлических низкоразмерных магнитоупорядоченных систем, соответствующие при выборе определенного анзатца для входящих в теорию энергетических параметров различным, используемым в теории магнитоупорядоченно-10 состояния, модельным гамильтонианам.

Проанализированы свойства самосогласованных решений в периодической модели Андерсона. Исследована зависимость величины локализованных магнитных моментов от числа координационных сфер, внутри которых учитывается ^(¿-взаимодействие, рассмотрен вопрос о единственности решений и о возможности описания магнитных, фазовых переходов 1рода.

Проведены численные расчеты поверхностей, тонких пленок, интерфейсов магнитоупорядоченных переходных металлов. Показано, что в зависимости от значепий параметров модели возможно различное поведение магнитных моментов вблизи поверхности, начиная от поверхностного магнетизма и кончая "мертвыми слоями" на поверхности магнитного металла.

Выполнены расчеты поверхностей железа и хрома при различной ориентации их относительно кристаллографических осей, ступепчатых

поверхностей и монослойных покрытий на них, кластеров из одного металла, погруженных в другой как в массивном образце, так и вблизи поверхности или интерфейса. Проведено сравнение результатов расчетов пространственно-неоднородных систем в модели Хаббарда и периодической модели Апдерсона, а также сравнение с данными расчетов из первых принципов для ряда идеальных систем.

Рассмотрен обширный класс явлений на поверхности переходных металлов: адсорбция, реконструкция поверхности, взаимодействие адсорбированных атомов, свойства покрытий одного переходного металла на поверхности другого при учете шероховатости и интердиффузии.

Разработана программа моделирования негладких поверхностей и интерфейсов с последующим само со гл а со в анием магнитных моментов в получающейся неидеальной структуре, на основе которой объяснены экспериментальные данные по монослойным покрытиям Сг на поверхности железа.

Предложены простые модели, основанные на идее о квантовых ямах, в которых оказываются заперты электроны проводимости, и на их основе объяснен широкий спектр экспериментальных данных, относящихся к антиферромагнитному обменному взаимодействию и гигантскому магнетосопротивленшо в металлических магнитных сверхрешетках.

Обоснованность результатов диссертации достигается тем, что развитая теория базируется на фундаментальных положениях квантовой статистической механики. Методическую основу исследований составляет метод функций Грина, использующий современные теорети-ко-полсвые методы изучения точных уравнений динамики квантовых систем. Применяемые в работе при проведении конкретных вычислений

приближенные соотношения хорошо апробированы и оправданы при рассматриваемых значениях параметров. Достоверность результатов подтверждается также сравнением с данными других авторов, полученных ддя ряда частных и предельных случаев, и способностью развитой теории объяснить целый ряд экспериментальных закономерностей поведения низкоразмерпых магнитных систем.

Практическая значимость работы определяется возможностью использования разработанных в диссертации методов и алгоритмов для расчета электронной и магнитной структуры реальных низкоразмершлх структур, изучаемых в эксперименте и иитерпретапди эксперимента на основе развитой теории. Простые качественные модели, предложенные в работе дают возможность прояснить физические механизмы поведения рассматриваемых систем. При этом удается не только объяснить наблюдаемые закономерностп, но и сделать предсказания относительно новых свойств искусственных мультислойных структур.

На защиту выносятся следующие результаты:

1. Вывод в рамках микроскопического подхода при учете межэлектронного взаимодействия в ферми-жидкостном приближении уравнений для функций Грина и массового оператора, описывающих как частные случаи различные, используемые в теории мапштоупорядоченного состояния, модели (модель Хаббарда, периодическая модель Андерсона и др.).

2. Разработка методов расчета массового оператора, позволяющих учитывать ¿-¿-взаимодействие внутри произвольного заданного числа координационных сфер выделенного атома. Создание быстрых алгоритмов расчетов, использующих аналитический подход вместо численного интегрирования, для самосогласованного определения

распределения локализованных магнитных моментов в пространственно-неоднородных металлических системах.

3. Результаты з онных и кластерных р асчетов электр онной и магнитной структур в периодической модели Андерсона, сравнительных расчетов одних и тех же физических систем в модели Хаббарда и периодической модели Андерсона с целью выяснения устойчивости полученных результатов относительно приближений, используемых при расчетах. Анализ вопроса о единственности решений и возможности описания фазовых переходов первого рода в методе модельных гамильтонианов.

4. Результаты расчетов электронной структуры слоисто-неоднородных систем - поверхностей, тонких пленок, субмонослойных покрытий, сверхрешсток, атомов, адсорбированных на поверхности - выполненных в рамках периодической модели Андерсона.

5. Объяснение установленной экспериментально немонотонной зависимости теплоты хемосорбции водорода на металлах 3d-ряда от атомного номера.

6. Результаты расчетов объемных и поверхностных магнитных свойств разбавленных сплавов Fe Cr; кластеров, состоящих из атомов железа, погруженных в матрицу хрома как в массивном образце, так и вблизи поверхности или интерфейса FelCr, различных дефектов, приводящих к шероховатости интерфейса FelCr.

7. Разработка алгоритма для моделирования процесса эпитаксии генерирующего негладкие интерфейсы с различной степсныо шероховатости. Результаты самосогласованных расчетов распределения магнитных моментов для структур, включающих более тысячи атомов, полученных в результате работы этого алгоритма. Объяснение на

оспове выполненных расчетов полученной экспериментально динамики изменения магнитного момента топкой пленки Fe в процессе напыления Сг па её поверхность. 8. Объяснение в рамках модели квантовых ям, наблюдаемых экспериментально в металлических магнитных сверхрешетках и сэндвичевых системах, эффектов поляризации электронов проводимости вблизи интерфейса, особенностей поведения обменной связи при изменении толщин как магнитных, так и немагнитных слоев, гигантского магнето сопротивления. Развитие теории обменного взаимодействия в сложных мультпслойных структурах, включающих магнитные слои из различных материалов, и предсказание экспоненциальной зависимости параметра обменной связи от толщины мапштной прослойки FM2, вставляемой в интерфейсы трехслойной системы FMJINMIFM1.

Все результаты, составляющие основу выносимых на защиту научных положений, включая все расчеты, представлеппые в диссертации, принадлежат лично автору. Апробация работы

Основные результаты диссертации опубликованы в 31 печатной работе, а также докладывались и обсуждались на Всесоюзных семинарах по низкотемпературной физике металлов (Донецк, 1989, 1991), на 2-м Всесоюзном семинаре "Магнитные фазовые переходы и критические явления" (Махачкала, 1989), на зимних школах-симпозиумах по теоретической физике "Коуровка" (Екатеринбург, 1988, 1990, 1992, 1994, 1996), на Международной школе физики ЮНЕСКО (Санкт-Петербург, 1992, 1996), на Международной летней школе по магнетизму ISSM-94 (Харьков, 1994), на Международной конферепщш по применению эф-

фекта Мессбауэра ICAME-95 (Римини, Италия, 1995), на 10-й Международной конференции по сверхтонким взаимодействиям HFF-10 (Левен, Бельгия, 1995), на 2-м Международном симпозиуме по металлическим мультислойным системам MLL-2 (Кембридж, Англия, 1995), на 15-й Европейской конференции по изучению поверхности ECOSS-15 (Лилль, Франция, 1995), на Международном симпозиуме E-MRS (Страсбург, Франция, 1996), на Международном семинаре (сателлит Е-MRS) по изучению магнетизма интерфейса Fe/Cr (Страсбург, Франция, 1996), а также на научных семинарах в Сапкт-Петербургском университете, Санкт-Петербургском отделении Математического института им. В.А.Стеклова, Институте Физики Металлов (г. Екатеринбург), Варшавском техническом университете (Польша), Институте ядерной физики и физики элементарных частиц (Будапешт, Венгрия), Университете им. Луи Пастера (Страсбург, Франция).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, насчитывающего 204 наименования. Общий объем работы 236 страниц; рисунков - 65; таблиц - 13. Библиография- 204 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обсуждаются экспериментальные методы, используемые при изучении магнитной структуры низкоразмерных металлических систем, дается общая характеристика работы, коротко излагается ее содержание и формулируются основные защищаемые положения.

В первой главе на основе метода квантовых функций Грина развивается микроскопический подход к теории электронной жидкости

магшггоупорядоченных металлов. Уравнения модели Хаббарда и периодической модели Апдерсона получены при весьма общих предположениях о свойствах изучаемой системы на основе истинного микроскопического гамильтониапа, что позволяет прояснить физический смысл феноменологических параметров, фигурирующих в модельных гамильтонианах, а также соответствие между результатами расчетов магнитной структуры, получающихся в разных подходах. Разработаны методы расчега массового оператора ¿/-электронов при учете с!-(1-взаимодействия внутри произвольного заданного числа координационных сфер выделенного атома. Рассмотрены общие свойства самосогласованных решений, получаемых в рамках метода модельпых гамильтонианов

В разделе 1.1 выведены уравнения для функций Грина и массового оператора, которые описывают, как частные случаи, различные модели, используемые в теории магнитоупорядоченного состояния. Учет корреляционной части межэлектрошюго взаимодействия не меняет структуры уравнений, но приводит к тому, что фигурирующие в них параметры становятся функциями энергетической переменной со.

В разделе 1.2. на основе полученных уравнений, совпадающих (при использовании определенных аппроксимаций) по форме с уравнениями модели Хаббарда и периодической модели Андерсона, построена схема самосогласованного расчета чисел заполнения электронных состояний методом рекурсий в реальном пространстве. Приведены выражения для массового оператора для различных типов кристаллической решетки, как для ферромагнитного, так и антиферромапштного упорядочения локализованных магнитных моментов.

В разделе 1.3 выполнен сравнительный анализ зонного и кластерного приближений в периодической модели Андерсона. Выяснено, что при достаточно большом значении интеграла перехода, число учитываемых координационных сфер существенно влияет не только на величину момента, но и на тип фазового перехода. Предложен универсальный способ расчета массового оператора, позволяющий рассматривать произвольные кристаллические модификации, типы магнитного упорядочения, количество атомов в кластере.

В разделе 1.4 дано микроскопическое описание механизма магнитных фазовых переходов I рода в рамках периодической модели Андерсона для топологически упорядоченных материалов. Установлен критерии возникновения магнитного момента при фазовом переходе первого рода, переходящий в пределе нулевого скачка намагниченности в точке перехода в критерий Стонера. Выполнен расчет энергии мапш-тоупорядоченного состояния, условие минимальности которой определяет при Т = 0 устойчивость фазы.

В разделе 1.5 рассмотрен вопрос о магнитных свойствах модели Хаббарда при конечных температурах. Статистическая сумма для гамильтониана Хаббарда вычисляется в формализме континуального интегрирования. Функциональная замена переменной и интегрирование по Ферми-полям позволяют свести задачу к расчету статистической суммы эффективной Бозе-системы. Выбор класса функций при проведении частичного функционального интегрирования сводит задачу вычисления статсуммы исходной коллективизированной модели к вычислению статсуммы локализованной модели типа модели Изинга, что проясняет соотношение между коллективизированными и локализованными картинами магнетизма ¿-металлов.

Во второй главе развитая теория используется для описания магнитной и электронной структуры кластеров, поверхностей, интерфейсов, магнитных сверхрешеток и других низкоразмерных металлических систем.

В разделе 2.1 в рамках периодической модели Андерсона рассмотрен механизм образования магнитного упорядочения вблизи поверхности ^¿-металла. Рассмотрено линейное приближение в точных уравнениях самосогласования. Получен критерий неустойчивости парамагнитного состояния относительно ферро- и антиферромагнитпого упорядочения. В линейном режиме рассмотрен переход от поверхности вглубь образца при любом типе магнитного упорядочения. Получен простой критерий возникновения антиферромагнитпого упорядочения в массивном образце. В результате численного решения уравнений самосогласования ( в приближении простейшего ферми-жидкостпого замыкания) показано, что в зависимости от параметров задачи возможно как существование поверхностного магнетизма, так и "мертвых слоев" на поверхпости металла. Дан критерий выбора той и друг ой ситуации. Показано, что при относительно большом параметре перескока может возникать антиферромагнитяое состояние с пшсрструктурами типа складок. Рассмотрено возникновение магнитного упорядочения в тонких пленках. Результаты расчетов магнитной структуры тонких пленок а-ж слез а с ориентацией поверхности (100) и (110) сравниваются с данными расчетов методом функционала плотности.

В разделе 2.2 на основе построенной выше теории предложен метод для описания сверхрешеток, состоящих из слоев магнитных и немагнитных переходных металлов ¿-групп. Параметры модели определяются свойствами элементов, составляющих сверхреигстку и могут

быть найдены по числу ¿-электронов и магнитному моменту на атом соответствующего массивного образца. Проведены расчеты сверхрсше-ток Fe(100)/Cr и Fe(100)/Cu. Найдено самосогласованное решение, отвечающее как параллельному, так и антипараллельпому упорядочению моментов соседних слоев железа в сверхрешетке. Рассчитана энергия каждого состояния. Получен короткий (в два монослоя) период ос-цилляций в системе Fe/Cr с толщиной слоев Cr, наблюдаемый экспериментально для достаточно гладких интерфейсов [3].

В разделе 2.3 рассмотрен вопрос о механизме реконструкции поверхности переходных металлов, связанном с возникновением неоднородного распределения заряда на поверхностных атомах. Обсуждается влияние адсорбции на электронную структуру вблизи поверхности. Объяснена экспериментально установленная немонотонная зависимость теплоты хемосорбции водорода на металлах 5^-ряда от атомного номера [4].

В разделе 2.4 задача о взаимодействии атомов на поверхности твердого тела решается путем исследования эффективного гамильтониана кластера. Предложена схема, позволяющая из полного гамильтониана системы выделять часть, отвечающую подсистеме. Для. эффективного гамильтониана получено нелинейное операторное уравнение. Развитый формализм применяется для учета влияния электронов проводимости подложки на процесс адсорбции и взаимодействия адсорбированных на поверхности атомов.

Третья глава посвящена изложению результатов расчетов электронной и магнитной структур неидеального интерфейса Fe/Cr при учете его шероховатое™ и интердиффузии атомов железа и хрома. Среди искусственно создаваемых низкоразмерных металлических систем

структуры Fe/Cr занимают особое положение. С одной стороны Fe и Cr - очень распространенные в природе элементы, давно и широко используемые в разных областях науки и техники, с другой - именно в этих системах последние годы был открыт целый ряд новых явлений, до сих пор не находящих теоретического объяснения. В Fe/Cr сэндвичах и сверхрешетках были обнаружены короткий (в два монослоя) и аномально длинный (18 Ä) период осцилляции обменной связи с толщиной слоя Cr [3], неколлинеарное упорядочение магнитных слоев Fe при определенных толщинах Cr [5], гигантское магнетосопротивлсние и осцилляции магнето сопротивления с толщиной как магнитного, так и немагнитного слоев [6].

К экспериментальному изучению мультпелойных FelCr структур были привлечены практически все методы, применяемые для изучения поверхности и слоистых систем [7]. Однако результаты различных экспериментов, в частности по измерению распределения маггштпых моментов, которое определяет основные физические свойства, часто находятся в противоречии друг с другом даже при использовании близких экспериментальных методов. Противоречивость экспериментальных работ связана с одной стороны с использованием довольно сложных экспериментальных методик и тем, что интерпретация эксперимента представляет собой самостоятельную трудную задачу, а с другой - тем, что сам процесс изготовления мультпелойных систем чрезвычайно чувствителен к внешним условиям - температуре и качеству подложки, режиму напыления и т.п. В результате неидеальность структуры, такая, например, как шероховатость интерфейса, обычно влияет на все свойства критическим образом.

В разделе 3.1 представлены результаты теоретического исследования разбавленных сплавов РеСг. Проведены расчеты распределения магнитных моментов па атомах железа вокруг примесного атома хрома как внутри массивного образца, так и вблизи его поверхности.

Рассмотрен имеющий важное значение для анализа данных мессбауэровской спектроскопии вопрос об аддитивности возмущений магнитных моментов атомов железа атомами хрома, расположенными в первой и второй координационной сфере. Расчеты показали, что примесные атомы Сг вызывают уменьшение магнитных моментов окружающих атомов Рс. Однако это уменьшение не пропорционально числу примесных атомов, а зависит от их взаимного положения. Причина такого поведения заключается во взаимодействии примесных атомов Сг и существенном уменьшении их магнитных моментов в результате этого взаимодействия.

В разделе 3.2 проведен сравнительный анализ расчетов электронной и магнитной структур ступенчатых поверхностей Ре и Сг, а так же монослойных покрытий на таких поверхностях в рамках модели Хаббарда и периодической модели Андерсона. Показано, что основные качественные черты распределения моментов в пространственно-неоднородных системах согласуются при использовании обоих моделей. Этот факт очень важен, поскольку позволяет утверждать, что обнаруженные закономерности определяются реально существующими физическими механизмами, а не приближениями, использованными при описании системы в методе модельных гамильтонианов. Обнаруженный при расчетах "топологический антиферромагнетизм" - чередование знака магнитного момента на ступенчатых поверхностях - позволяет объяснить противоречие между результатами различных эксперимен-

тальных трупп по измерению поверхностных магнитных моментов с помощью поляризованных электронов [8,9,10].

В разделе 3.3 изучается распределение магнитных моментов вблизи неидеального интерфейса Ре!Сг. Для моделирования процесса напыления разработан специальный алгоритм "Эпитаксия", генерирующий негладкие поверхности и интерфейсы с различной степенью шероховатости (А и Б -вариант "Эпитаксии"). Вариант А алгоритма создает слабо шероховатые интерфейсы, толщиной 2-3 атомных слоя. Вариант Б дает более "рыхлую" поверхность с определеппым количеством вакантных мест внутри образца. Самосогласованные расчеты, полученных в результате работы этих алгоритмов структур, включают более тысячи атомов с различными числами заполнсши электронных сос тояний. На основе выполненных расчетов удалось качественно описать динамику изменения магнитного момента тонкой плегаш Ре в процессе напыления Сг на её поверхность, измеренную экспериментально с помощью магнитометра в сверхвысоком вакууме [11].

На рис. 1 представлена зависимость полного магнитпого момента образца, состоящего из 7 атомных слоев железа, покрытых тонким слоем хрома, от толщины слоя хрома. Различные кривые отвечают слабо шероховатому, сильно шероховатому и идеально гладкому интерфейсу. Параметр покрытия £ равен среднему числу атомных слоев хрома. По мере уменьшения гладкости интерфейса впден переход от осцилляционного поведения к монотонному уменьшению полного магнитного момента образца. Именно такая монотонная зависимость была получена экспериментально [11], причем сильное уменьшение магнитного момента объясняется проникновением атомов Сг глубоко внутрь

железа и уменьшением за счет этого магнитных моментов окружающих атомов железа.

Рис. 1 Магнитный момент образца в расчете на один узел в плоскости как функция параметра покрытия £ Кружки соответствуют менее шероховатому интерфейсу (А-вариант "Эпитаксии"), треугольники - более шероховатому (комбинация А и Б -вариантов "Эпитаксии"). Для сравнения квадраты дают результаты расчета идеально гладкого интерфейса.

В разделе 3.4 приведены расчеты магнитных моментов на атомах кластера железа, погруженного в матрицу хрома как вблизи поверхности Cr и интерфейса Cr/Fe, так и внутри массивного образца. Обнаружено несколько магнитных конфигураций, рассчитана их энергия. Рассмотрен вопрос о зависимости магнитной структуры кластера

от его размеров и формы, а также влияния на нее пространственной неоднородности, вызванной наличием поверхности или интерфейса.

В последней, четвертой главе излагается теория обменного взаимодействия и гигантского магнетосопротивлепия в магнитных муль-тислойных системах, основанная на представлении о квантовых ямах, в которых оказываются заперты электроны проводимости с соответствующими проекциями спина.

В разделе 4.1 предложена простейшая модель для описания осцилляции обменной связи в свсрхрешетках, предполагающая квантование поперечного движения электронов в ямах, образуемых магнитными слоями. Системы квантовых ям для электронов с различными проекциями спипа различаются и зависят от направления намагниченности магнитных слоев. С увеличением толщины немагнитного слоя меняется энергия электронов в ямах и происходит переход от параллельного направления моментов соседних магнитных слоев в сверхрешетке к антипараллельному и обратно.

В разделе 4.2 на основе модели квантовых ям бесконечной глубины объяснены наблюдаемые экспериментально эффекты поляризации электронов проводимости вблизи интерфейса, особенности изменения обменной связи с изменением толщины магнитного и немагнитного слоя в металлических магнитпых сверхрсшетках и сэндвичевых структурах. Использование упрощенной модели бесконечных потенгщальных ям позволяет выделить вклад в обменное взаимодействие от одной ямы и получить прозрачную картину физических механизмов обменного взаимодействия.

Термодинамический потенциал = Еь- для электронов в квантовой яме ширины Ь представим в виде

х 4 тй? 3 \2те,1}

(и£ +1X^+1)

Ъпег1}) 10

В этом выражении т - масса электрона, пь - число заполне1ШЫХ энергетических уровней, расположенных ниже уровня Ферми £>-. В диссертации показано, что при расчете энергии обменного взаимодействия достаточно рассматривать отклоните АС2Ь термодинамического потенциала от квазиклассического значения, получаемого в отсутствие квантования поперечного движения электронов.

■1,0

Рис.2 дд^ = - (в произвольных едшпщах) и число заполненных квантовых уровней пь как функции ширины квантовой ямы Ь (А)

На рис. 2 показана зависимость А£2Ь от ширины ямы Ь . На том же графике показано число заполненных энергетических уровней пь . Рез-

кое увеличение эпергии обменной связи происходит, когда очередной квантовый уровень опускается ниже энергии Ферми. Амплитуда осцилляции быстро убывает с Ь. Последнее обстоятельство позволяет утверждать, что основную роль в формировании эффективного обменного взаимодействия в мультислойных системах играют электроны, локализованные в наиболее узких квантовых ямах. Это дает возможность предельно просто анализировать зависимость величины и знака обменного взаимодействия от геометрических параметров мультислой-ной системы, в частности, объяснить наблюдаемую в эксперименте зависимость обменного взаимодействия от толщины магнитного слоя [12].

В разделе 4.3 построена теория обменного взаимодействия в сложных сэндвичевых структурах, содержащих немагнитные (/УМ) и магнитные (РМ) слои из двух различных ферромагнитных металлов. Величина обменного взаимодействия в мультислойиой системе с тонким слоем второго ферромагнитного материала, вставленного в интерфейсы РМ1ЫМ/РМ , рассчитана при различных значениях параметров модели. Получена экспоненциальная зависимость обменной связи от толщины вставленного слоя, аналогичная экспериментально полученной зависимости магнетосопротивлсшш в таких системах [13].

В разделе 4.4 предложен механизм гигантского магнетосопро-тивления, оспованньш на модели квантовых ям с бесконечными стенками. Расчеты обменного взаимодействия и магнетосопротивления, их зависимость от толщины магнитных и немагнитных слоев показывает явную корреляцию, обусловленную квантованием поперечного движения электронов в квантовых ямах. Обсуждается роль рассеяния на ин-

терфейсах и внутри магнитных и немагнитных слоев в явлении гигантского магнстосопротивления.

В заключении кратко изложены основные выводы, полученные в работе, и предлагается ряд вопросов, которые могут получить дальнейшее развитие на основе исследуемой теории.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Андреева М.А., Гитцович В.Н., Семенов В.Г., Уздин В.М., Фили-чевА.И. Мессбауэровская спектроскопия полного внешнего отражения: основы метода и его возможности при послойном анализе. -Вестник СПбГу, сер. 4, 1995, вып. 1, 45-56.

2. Борчух М.С., Кондратьев A.C., Уздин В.М. Магнитные моменты атомов железа в разбавленных сплавах с переходными металлами. -Вестник ЛГУ. Сер. 4, 1988, № 11, 78-80.

3. Борчух М.С., Кондратьев A.C., Уздин В.М. Поверхностный магнетизм в периодической модели Андерсона. - Поверхность. Физика, химия, механика. 1990, № 11, 11-16.

4. Гитцович В.Н., Казанский А.К., Семенов В.Г., Уздин В. М Низкоразмерные магнитные системы: простые модели для расчета электронной и магнитной структур. - ФММ, 1995, 79,41-53.

5. Ильинский К.Н., Уздин В.М. Магнитные свойства модели Хаббарда при конечных температурах. - ФТТ, 1992, 34, 1687-1695.

6. Ильинский КН., Мотовилов А.К., Уздин В.М. Эффекты взаимодействия при адсорбции атомов на поверхности твердого тела. - Поверхность. Физика, химия, механика. 1994, № 2, 12-16.

7. Казанский А.К., Кондратьев А.С., Уздин В.М Влияние поверхности па магнитные свойства металлов. - ФММ, 1988,65, 1068-1074.

8. Казанский А.К., Кондратьев А.С., Уздин В.М. Описание мапшто-упорядоченного слоисто-неоднородного состояния в периодической модели Андерсона. - ЖЭТФ, 1988,94, вып. 2, с. 274 - 283.

9. Казанский А.К., Кондратьев А.С., Уздин В.М. Магнитный фазовый переход I рода в топологически упорядоченных образцах. - ФММ, 1993, № 3, 54-65.

10. Казанский А.К.,Уздин В.М. Зонные и кластерные приближення в периодической модели Андерсона. - ФТТ, 1990, 32, 3384-3389.

И. Казанский А.К., Уздин В.М. Описание электронной и .магнитной структуры сверхрешеток в периодической модели Андерсона -ФММ, 1993,76, 98-106

12. Кондратьев А.С., Курдюмов А.А., Смирнова Е.В., Уздин В.М. Адсорбция водорода на 3(1-металлах. - Поверхность. Физика, химия, механика. 1992, № 3, 22-29.

13. Кондратьев А.С., Смирнова Е.В., Уздин В.М. Описание хемосорб-цин, магнитных свойств, реконструкции поверхности переходных металлов в периодической модели Андерсона . - ФММ, 1991, 74-84.

14. Кондратьев А.С., Уздин В.М. Ферми-жидкостный подход к теории переходныхмагнитоупорядоченных металлов. - Вестник ЛГУ, 1982, № 22, 86-89.

15. Кондратьев А.С., Уздин В.М. Электронная жидкость магнитоупорядоченных металлов. - Ленинградский университет, 1988. - 200 с

16. Borczuch M., Uzdin V.M. Fe clusters near surface and interface in the FeCr systems. - Abstracts of International conférence ECOSS-15, Lille, 7-September, 1995, TuPe 17.

17. Demangeat C., Uzdin V.M. Hubbard & periodic Anderson model for description of imperfect low-dimensional FeCr magnetic systems J. Magn. Magn. Mat., 1996,156, 202-204.

18. Giltsovich V.N., Minin V.l., Romashov L.N., Semenov V.G.,Ustinov V.V., UzdinV.M. CEMS-study of hyperfine fields distribution in Fe/Cr multilayers. - 10-th Intematinal Conference on Hyperfine Interactions. Book of abstracts.Leuven, Belgium, August 28 - September 1,1995 p.P230-TH.

19. Giltsovich V.N., Semenov V.G., Uzdin V.M. Bulk and surface magnetic properties of dilute FeCr alloys - J. Magn. Magn. Mater. 146, 1995, 165174.

20. Ilinski K.N., Ilinskaya A.V., Uzdin V.M. Interaction of impurities in the Anderson model. Phys. Lett. A, 1992,169,469-474.

21. Ilinski K.N., Motovilov A.K., Uzdin V.M. The effective Cluster Hamillonian for Adsorbed Atoms. - Helv. Phys. Acta, 1993, 66 , 337-345.

22. Kazansky A.K., Uzdin V.M. Thermodynamic properties of itinerant electrons in magnetic superlattices: Magnetic coupling and magnetoresistance. - J. Magn. Magn. Mater. 138, 1994, 287-293.

23. Kazansky A.K., Uzdin V.M. Modeling of the magnetic properties of the Cr-Fe interface - Phys. Rev. B52, 1995, 9477-9485.

24. Kondraiyev A.S., Lublinskaya I.E., Uzdin V.M. Thermopower of size quantized film. - OHT, 1991, 17, 1140-1142.

25. Kondraiyev A.S., Lublinskaya I.E., Uzdin V.M. The low temperature thermomagnetic properties of thin films in high magnetic fields. - Thin Solid Films, 1991, 202, 21-28.

26. Uzdin V.M Cr overlayers on Fe. Influence of the roughness on the distribution of magnetic moments. Workshop on Fe/Cr Interface Magnetism, Strasbourg 2-3 June 1996. Satellite Meeting of E-MRS Symposium E. p.37

27. Uzdin V.M. Adamowicz L., Kocinski P. Exchange coupling in the complex magnetic multilayers. - Europhys. Lett., 1996, 34, 629-634.

28. Uzdin V.M., Demangeat C. Pinhole defects in Fe/Cr trilayers. - Abstracts of E-MRS Symposium E, Strasbourg 4-7 June 1996, XII.P29.

29. Uzdin V.M., Yartseva N.S. Quantum well states in the metallic magnetic trilayers and superlattices. - Proceeding of International Conference on the Application of Mossbauer Effect ICAME-95, Rimini (Italy), 10-16 September 1995, ed. by I. Ortalli, Italian Physical Society, Conference Proceedings Vol. 50., 1996, p. 639-642.

30. Uzdin V.M., Yartseva N.S. Quantum wells in trilayers: dependence of the properties on the thickness of magnetic and nonmagnetic layers. - J. Magn. Magn. Mat., 1996, 156,193-196.

31. Uzdin V.M., Yartseva N.S. Quantum well mechanism for giant magnetoresistance in trilayers. - Abstracts of E-MRS Symposium E, Strasbourg 4-7 June 1996, IX.P35.

Цитированная литература

1. Ultrathin Magnetic Structures, Ed. by J.A.C.Bland and B. Heinrich, Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, 1994. Volumes I and II.

2. Vega A., Balbas L.C., Dorantes-Davila J., Pastor G.M. Phys.Rev. B50, 1994 , 3899.

3. Unguris J., CelottaR.J., Pierce D.T. Phys. Rev. Lett., 1991, 67,140-143.

4. Рабис И.Е., Компанеец Т.Н., Курдюмов A.A. - Молекулярные и электронные процессы на межфазных грашщах. Ленннградский государственный университет, 1989, 78.

5. Schreyer A., Ankner J.F., Zeidler Th., Zabel Н., Schäfer M„ Wolf А., Grünberg P., MajkrzakC.F. Phys.Rev. 1352, 1995, 16066-16085.

6. Okuno S.N., Inomata K. Phys. Rev. Lett., 1994, 72,1553 -1556.

7. Workshop on Fe/Cr Interface Magnetism, Strasbourg, 2-3 June 1996, Satellite Meeting of E-MRS Symposium E, 75 p.

8. Donath M., Scholl D.,. Mauri D., KayE. - Phys.Rev. B43, 1991, 13164.

9. Hillebrecht F. U., Roth Ch., Jungblut R., Kisker E., Bringer A. - Europhys. Lett. 1992,19, 711.

10 .Idzeda Y.U., T/eng L.H.,. Lin H.-J, Meigs G., Chen C.T., Gutierrez J J. Appl.

Phys. 1993, 73 , 6204 -6207. 1 l.C TurturandG. Bayreuther Phys. Rev. Lett. 1994, 72, 1557.

12. Zhang Z, Zhou L., Wigen P.E. Ounadjela K. Phys. Rev., B50, 1994, 6094.

13.Parkin S.S.P. Phys. Rev. Lett., 1993, 71, 1641-1644.