Дипломы, курсовые, рефераты, контрольные...
Срочная помощь в учёбе

Электронная структура и магнитные взаимодействия в молекулярных магнетиках

Диссертация: Электронная структура и магнитные взаимодействия в молекулярных магнетиках
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Проделанная работа является первым шагом на пути изучения молекулярных магнетиков в рамках приближения LDA+U. В качестве ближайших перспектив можно обозначить проведение расчётов при помощи программ, в которых реализованы полнопотенциальные и псевдопотенциальные методы, а так же проведение расчётов с учётом спин-орбитальных взаимодействий. Проведение этих расчётов будет способствовать более… Читать ещё >

Содержание

  • Глава 1. Обзор основных физических свойств молекулярных магнетиков
  • Глава 2. Методы расчета электронной структуры и свойств соединений с сильными электронными корреляциями
  • Глава 3. Методологические особенности первопринципных расчётов электронной структуры молекулярных магнетиков
  • Глава 4. Результаты вычисления электронной структуры и магнитных взаимодействий для Mn
  • Глава 5. Результаты вычисления электронной структуры и магнитных взаимодействий для V
  • Глава 6. Результаты вычисления электронной структуры и магнитных взаимодействий для Fe

Электронная структура и магнитные взаимодействия в молекулярных магнетиках (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Объектом изучения в данной диссертационной работе являются молекулярные магнетики. Это достаточно новый класс магнитных материалов, состоящий из нескольких атомов переходных 3d элементов, окружённых несколькими десятками или даже сотнями немагнитных атомов. В ходе данной работы было проведено исследование трёх наиболее хорошо экспериментально изученных молекулярных магнетиков.

Мп120,2(СНзС00)16. 4Н20, K6[V15As6042(H20)] • 8НгО и.

C6N3Hi5]6Fe802(0H)i2Br7(H20)Br (в дальнейшем называемых Mn]2, V15 и Fe8). Целью данной работы было изучение электронной структуры и магнитных свойств этих соединений посредством выполнения зонных расчётов в рамках приближения функционала электронной плотности. Это приближение на сегодняшний день является одним из основных приближений использующимся для выполнения зонных расчётов. Непосредственно для расчёта был использован метод линеаризованных маффин-тин орбиталей в приближении сильной связи (ТВ LMTO) в пакете программ на основе штутгартской версии 47.

В ходе работы было высказано предположение, что молекулярные магнетики являются сильно коррелированными соединениями. В результате чего были проведены исследования этих соединений с учётом электрон-электронных корреляций в рамках приближения LDA + U. Основной проблемой применения этого приближения к молекулярным магнетикам является проблема выбора величины параметра кулоновского взаимодействия. Всвязи с технической невозможностью вычисление величины этого параметра из первых принципов, был произведён расчёт электронной структуры для различных значений параметра кулоновского взаимодействия, для дальнейшего сравнения результатов с экспериментальными данными. То есть произведённые расчёты не являются полностью первопринципными. Из-за недостаточной точности экспериментальных данных для величин магнитных моментов и энергетической щели было произведено сравнение теоретически рассчитанных спектров и спектров, измеренных методом упругого рентгеновского рассеяния. В результате этого сравнения были установлены величины параметров кулоновского взаимодействия для молекулярных магнетиков. Для всех трёх исследованных соединений эта величина оказалась равной примерно 4 эВ, что позволяет говорить об обнаружении закономерности.

Так же во всех модельных расчётах обменных взаимодействий в молекулярных магнетиках используется спиновый гамильтониан модели.

ЙЬ.

Гейзенберга. В результате сравнения полученных в результате вычислений значений обменного взаимодействия для различных магнитных конфигураций была обоснована допустимость применения модели Гейзенберга для описания магнитных свойств молекулярных магнетиков. Так же на основе первопринципных расчётов были обнаружены обменные взаимодействия, не учитывавшиеся ранее при построении модельных спиновых гамильтонианов.

Актуальность диссертационного исследования состоит, прежде всего, в создании методики для расчёта достаточно нового и нетривиального класса соединений.

На защиту выносятся следующие положения:

• Молекулярные магнетики являются сильнокоррелированными системами.

• Наиболее точным методом для определения величины кулоновского потенциала является сравнение теоретически полученного спектра с рентгеновскими эмиссионными спектрами.

• Использование спинового гамильтониана в гейзенберговской форме является достаточно качественным приближением для вычисления спектра возбуждений в молекулярных магнетиках.

Основные положения диссертации докладывались автором на:

Рабочей конференции по сильно-коррелированым системам в Университете г. Ляйден, Голландия в 2002 г.

Девятой международной конференции по электронной и структурной спектроскопии г. Упсала, Швеция в 2003 г.

В виде стендового доклада на XXXIII совещании по физике низких температур 2003 г. Екатеринбург.

Содержание, результаты и выводы диссертационной работы отражены в публикациях [1,2,3].

Диссертационная работа состоит из введения, шести глав и заключения.

Заключение

.

Исходя из вышепредложеных исследований электронной структуры и обменных взаимодействий в молекулярных магнетиках, сформулированы следующие результаты и выводы:

Молекулярные магнетики являются сильнокоррелироваными системами. Наиболее точным методом для определения величины кулоновского потенциала является сравнение теоретически полученного спектра с рентгеновскими эмиссионными спектрами.

На основании сравнения рассчётных величин обменных взаимодействий для различных магнитных конфигураций в модлекулярных магнетиках, было установлена допустимость использование модели Гейзенберга.

Новизна представленных в работе результатов и выводов заключается в следующем:

Методы LDA+U и компьютерная программа Stuttgart ТВ LMTO-47 впервые были использованы для соединений из класса молекулярных магнетиков.

Во всех исследованых соединениях были обнаружены новые, никак ранее не учитывавшиеся обменные взаимодействия.

Научно практическая ценность диссертационной работы заключается в более глубоком понимании механизмов магнитного упорядочения в молекулярных магнетиков.

Личный вклад автора заключается в разработке схемы для дальнейшего изучения физических свойств этого класса соединений, а так же и других сходных веществ методом LDA+U при помощи программы Stuttgart ТВ LMTO-47, проведении всех расчётов и обсуждении результатов.

Проделанная работа является первым шагом на пути изучения молекулярных магнетиков в рамках приближения LDA+U. В качестве ближайших перспектив можно обозначить проведение расчётов при помощи программ, в которых реализованы полнопотенциальные и псевдопотенциальные методы, а так же проведение расчётов с учётом спин-орбитальных взаимодействий. Проведение этих расчётов будет способствовать более полному пониманию физических свойств молекулярных магнетиков, а так же влиянию магнитных свойств 3d элементов на физические свойства металл-органических соединений.

Показать весь текст

Список литературы

  1. Boukhvalov D.W., Dobrovitski V.V., Katsnelson M.I., Lichtenstein A.I., Harmon B.N., and Kogerler P. Electronic structure and exchange interactions in Vj5 molecular magnets: LDA+U results // J. Appl. Phys. -2003 -V. 93 -P. 7080−7082.
  2. Lis T. Synthesis of Mni2 molecules // Acta crystallogr. В -1980 -V. 36 -P. 2042.
  3. Gatteschi D. Sessoli R. Gatteschi D., and Cornia A. Layered magnetic structure of a metal cluster ion // Nature -1991 -V. 354 -P. 463−465.
  4. Gatteschi D., Canneschi A., Sessoli R. and Cornia A. Magnetism of large iron-oxo clusters // Chem. Soc. Rev. -1996 101−109.
  5. Friedman J.R., Sarachik M.P., Tejada J. and Ziolo R. Macroscopic measurement of Resonant Magnetization tunneling in high-spin molecules // Phys.Rev. Let. -1996 -V. 76 -P. 3830−3833.
  6. Sessoli R. Gatteschi D., Canneschi A., and Cornia A. High-spin molecules: Mn.2012(0CR), 6](H20)4] // J. Am. Chem. Soc.-1993 -V. 115 -P. 1804−1816.
  7. Katsnelson M.I., Dobrovitski V.V. and Harmon B.N. Many-spin interactions and spin excitations in Mn12 // Phys. Rev. В -1999 -V. 59 -P. 6919.
  8. Dobrovitski V.V., Katsnelson M.I. and Harmon B.N. Mechanisms of decoherence in weakly anisotropic molecular magnets // Phys. Rev. Let. -2000-V. 84-P. 3458−3461.
  9. Quantum tunneling of magnetization // Kluwer, Dordrecht, 1995.
  10. Wernsdorfer W. Bhaduri S., Tiron R., Hendrickson D. N., and Christou G. Spin-Spin Cross Relaxation in Single-Molecule Magnets// Phys. Rev. Let. -2002-V. 89, 197 201.
  11. A.K., Костюченко B.B., Платонов B.B., Плис В. И., Попов А. И., Селемир В. И., Таценко О. М. Магнитные молекулярные нанокластеры в сильных магнитных полях // УФН -2002 -Т. 172 № 11 -С. 1303−1306.
  12. Lueneberger М. N. and Loss D. Quantum computing in molecular magnet // Nature 2001 -V. 410 -P. 789−793.
  13. Zeng Z., Guensburger D. and Ellis D. E. Electronic structure, spin coupling, and hyperfine properties of nanoscale molecular magnets // Phys. Rev. В -1999-V. 59-P. 6927−6937.
  14. Pederson M.R. and Khanna S. S. Magnetic anisotropy barrier for spin tunneling in Mn12Oi2 molecules // Phys. Rev. В -1999 -V. 60 -P. 9566−9572
  15. Pederson M.R., Kortus J. and Khanna S.N. Electronic structure-based investigation of magnetism in the Fe8 molecular magnet // Journal of Applied Physics -2002-V. 91 -P. 7149−7151.
  16. Hubbard J. Electron correlations in narrow energy bands // Proc. R. Soc. London A. -1963. -V. 276. -P. 238−267.
  17. Anderson P.W. New approach to the theory of superexchange interaction // Phys. Rev. -1959. -V. 115, 1. -P. 2−13.
  18. C.B. Магнетизм. -Москва: Наука, 1971.
  19. Ю.А. Магнетизм коллективизированных электронов. -Москва: Физматлит, 1994.
  20. Hohenberg P. and Kohn W. Inhomogeneous electron gas // Phys. Rev. -1964. -V. 136, -P. B864-B871.
  21. Kohn W. and Sham L.J. Self-consistent equations including exchange and correlation effects // Phys. Rev. -1965. -V. 140, -P. А1133-A1137.
  22. Sham L.J. and Kohn W. One-particle properties of an inhomogeneous interacting electron gas // Phys. Rev. -1966. -V. 145, -P. 561−567.
  23. Hedin L. and Lundqvist B.I. Explicit local exchange-correlation potentials // J. Phys. C. -1971. -V. 4, -P. 2064−2084.
  24. Mott N.F. Discussion of the paper by de Boer and Verwey // Proc. Phys. Soc. London, Ser. A. -1937. -V. 49. -P. 72−73.
  25. C.B., Кацнельсон М. И., Трефилов A.B. Локализованное и делокализованное поведение электронов в металлах. // ФММ. -1993. -Т. 76, № 3. -С. 3−89.
  26. С.В., Кацнельсон М. И., Трефилов А. В. Локализованное и делокализованное поведение электронов в металлах. 2 // ФММ. -1993. -Т. 76, № 4. -С. 3−93.
  27. P.W. 50 years of the Mott phenomenon, in frontiers and borderlines in many particle physics (Schrieffer J.R. and Broglia R.A., eds.) -Amsterdam: North-Holland, 1988.
  28. Georges A., Kotliar G., Krauth W. and Rozenberg M.J. Dynamical mean-field theory of strongly correlated fermion systems and the limit of infinite dimensions //Rev. Mod. Phys. -1996. -V. 68, 1. -P. 13−125.
  29. Hamada N., Sawada H. and Terakura K. Spectroscopy of Mott insulators and correlation metals (Fujimori A. and Tokura Y., eds.) -Berlin: Springer-Verlag, 1995.
  30. Sarma D.D., Shanthi N., Barman S.R., Hamada N., Sawada H. and Terakura K. Band theory for ground-state properties and excitation-spectra of perovskite LaM03 (M=Mn, Fe, Co, Ni) // Phys. Rev. Lett. -1995. -V. 75, 6. -P. 1126−1129.
  31. Anisimov V.I., Zaanen J. and Andersen O.K. Band theory and Mott insulators: Hubbard U instead of Stoner I // Phys. Rev. B. -1991. -V. 44, -P. 943−954.
  32. Yanase A. and Siratori K. Band structure in the high temperature phase of Fe304 // J. Phys. Soc. Jpn. -1984. -V. 53, -P. 312−317.
  33. Anisimov V.I., Korotin M.A., Zaanen J. and Andersen O.K. Spin bags, polarons, and impurity potentials in La2-xSrxCu04 from first principles // Phys. Rev. Lett. -1992. -V. 68. -P. 345−348.
  34. Gunnarsson O., Andersen O.K., Jepsen O. and Zaanen J. Density-functional calculation of the parameters in the Anderson model: Application to Mn in CdTe // Phys. Rev. B. -1989. -V. 39, -P. 1708−1722
  35. Anisimov V.I. and Gunnarsson O. Density-functional calculation of effective Coulomb interactions in metals 11 Phys. Rev. B. -1991. -V. 43, -P. 75 707 574.
  36. Liechtenstein A.I., Anisimov V.I. and Zaanen J. Density-functional theory and strong interactions: orbital ordering in Mott-Hubbard insulators // Phys. Rev. B. -1995. -V. 52, -P. R5467-R5470.
  37. Fujiwara T. and Korotin M. Spin and orbital ordering of Ndi. xSrxMn03 from LSDA+U calculations // Phys. Rev. B. -1999. -V. 59, -P. 9903−9910
  38. Zhang Z. and Satpathy S. Electron states, magnetism, and the Verwey transition in magnetite // Phys. Rev. В. -1991. -V. 44, -P. 13 319−13 331.
  39. Anisimov V.I., Elfimov I.S., Hamada N. and Terakura K. Charge-ordered insulating state of Рез04 from first-principles electronic structure calculations // Phys. Rev. B. -1996. -V. 54, -P. 4387−4390.
  40. Anisimov V.I., Solovyev I.V., Korotin M.A., Czyzyk M.T. and Sawatzky G.A. Density-functional theory and NiO photoemission spectra // Phys. Rev. B. -1993. -V. 48, -P. 16 929−16 934
  41. Judd B.R. Operator techniques in atomic spectroscopy. -New York: McGraw-Hill, 1963.
  42. Liechtenstein A.I., Katsnelson M.I., Antropov V.P. and Gubanov V.A. Local spin density functional approach to the theory of exchange interactions in ferromagnetic metals and alloys // Jornal of Magnetism and Magnetic Materials -1987 -V. 67 -P. 65−74
  43. Antropov V.P., Katsnelson M.I., Liechtenstein A, I. Exchange interactions in magnets // Physica В -1997, -V. 237−238 -P. 336−340
  44. Solovyev I.V., Dederichs P.H. and Anisimov V.I. Corrected atomic limit in the local-density approximation and the electronic structure of d impurities inRb //Phys. Rev. B. -1994. -V. 50, -P. 16 861−16 871.
  45. Wei P. and Qi Z.Q. Insulating gap in the transition-metal oxides: A calculation using the local-spin-density approximation with the on-site Coulomb U correlation correction // Phys. Rev. B. -1994. -V. 49, -P. 1 086 410 868.
  46. Anisimov V.I., Korotin M.A., Zolfl M., Pruschke Т., Le Hur K. and Rice T.M. Electronic structure of the heavy fermion metal LiV204 // Phys. Rev. Lett. -1999. -V. 83, -P. 364−367
  47. Pickett W.E., Erwin S.C. and Ethridge E.C. Reformulation of the LDA + U method for a local-orbital basis // Phys. Rev. B. -1998. -V. 58, -P. 12 011 209.
  48. Shick A.B., Liechtenstein A.I. and Pickett W.E. Implementation of the LDA+U method using the full-potential linearized augmented plane-wave basis // Phys. Rev. B. -1999. -V. 60, -P. 10 763−10 769.
  49. Bengone O., Alouani M., Blochl P. and Hugel J. Implementation of the projector augmented-wave LDA+U method: Application to the electronic structure of NiO // Phys. Rev. B. -2000. -V. 62, -P. 16 392−16 401.
  50. Novak P., Boucher F., Gressier P., Blaha P. and Schwarz K. Electronic structure of the mixed valence system (YM)2BaNi05 (M = Ca, Sr) // Phys. Rev. B. -2001.-V. 63, 235 114
  51. Korotin M.A., Elfimov I.S., Anisimov V.I., Troyer M. and Khomskii D.I. Exchange interactions and magnetic properties of the layered vanadates CaV205, MgV205, CaV307 and CaV409 // Phys. Rev. Lett. -1999. -V. 83, -P. 1387−1390.
  52. Korotin M.A., Anisimov V.I., Saha-Dasgupta T. and Dasgupta I. Electronic structure and exchange interactions of the ladder vanadates CaV2Os and MgV205// J. Phys.: Condens. Matter. -2000. -V. 12, -P. 113−124.
  53. M.A. Первопринципные расчеты параметров обменного взаимодействия в системах со щелью в спектре спиновых возбуждений //
  54. Korotin М.А. Ab initio calculation of the exchange interaction parameters for the spin-gap systems // In: 3rd Russian-German seminar on electron and X-ray spectroscopy. Program and abstracts. -Yekaterinburg, Russia, 1999 -P. 46.
  55. Korotin M.A. Exchange interactions and magnetic properties of the layered vanadates CaV205, MgV205, CaV307 and CaV409 // In: The fourth BUTSUKO symposium on phase control in spin-charge-photon coupled systems. Tokyo, 1999 -P. 16.
  56. Medvedeva J.E., Korotin M.A., Anisimov V.I. and Freeman A.J. Orbital ordering in paramagnetic LaMn03 and KCuF3 // Phys. Rev. B. -2002. -V. 65, 172 413.
  57. S. M., Sushkov А. В., Musfeldt J. L., Achey R. M. and Dalai N. S. Diffuse optical excitations in Mm2-acetate // Phys. Rev. B. -2002 -V. 65,54 419.
  58. North J. M., Zipse D., Dalai N. S., Choi E. S., Jobiliong E., Brooks J. S., and Eaton D. L. Semiconductive and photoconductive properties of the single-molecule magnets Mn.2-acetate and Fe8Br8 // Phys. Rev. B. -2002 -V. 67, 74 407.
  59. Gunarson O. Superconductivity in fullerides // Rev. Mod. Phys. 1997 -V. 69 -P. 575.
  60. Chiorescu I., Wernsdorfer, A. Mtiller, H. Bogge, and B. Barbara Butterfly Hysteresis Loop and Dissipative Spin Reversal in the S = ½, V15 Molecular Complex // Phys. Rev. Let. -2000 -V. 84 -P. 3454.
  61. Chaboussant G., Basler R., Sieber A., Ochsenbein S. T., Desmedt A., Lechner R. E., Telling M. T. F., Kogerler P., Mtiller A. and Gudel H.
  62. U. Low-energy spin excitations in the molecular magnetic cluster V15 // Europhys. Let. = -2002 -V. 59 -P. 291.
  63. Chio J, Sanderson L. A. W., Mustfeld J.L., Ellern A. and Kogerler P. Optical properties of the molecule-based magnet K6V15As6042(H20).*8H20 // Phys. Rev. B. -2003 -V. 68, 64 412.
  64. Heeger A .J., Kivelson S., Schrieffer J.R. and Su W.-P. Solitons in conducting polymers // Rev. Mod. Phys. -1988 -V. 60 -P.781.
Заполнить форму текущей работой

Заказал и сдал!