Skip to main content
SUPERVISOR
Seyed Javad Hashemifar,Hadi Akbar zadeh
سید جواد هاشمی فر (استاد مشاور) هادی اکبرزاده (استاد راهنما)
 
STUDENT
Maedeh Zahedifar
مائده زاهدی فر

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده فیزیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1390

TITLE

Ab-inito Study of magnetic and structure properties of CaN and CaC nanolayers on Cu(001) substrate
Observation of p orbital magnetism in some compounds with no transition element has opened a new magnetic field. These compounds include some ionic binary alloys such as CaN and CaC. In these two compounds, ferromagnetic behavior is accompanied with half-metallic characteristic, which is promising for Spintronics industry. In this project, density functional - pseudo potential computations were performed to study the structural and magnetic properties of the rocksalt (RS) and zinc-blend (ZB) structures of bulk CaC and CaN and their monolayer and bilayer on Cu (001). We observed that CaN exhibits half-metallic ferromagnetism in both RS and ZB structures, while RS-CaN is more stable and more stiff. The structural properties of RS- and ZB-CaN and CaC monolayers are studied and the relative stability of different interface terminations and patterns were investigated and stable structures were identified.In contrast to the bulk CaN, the induced strain by Cu (001) substrate on CaN thin film effectively enhances stability of the ZB-CaN monolayers. It was argued that the N terminated CaN monolayers on Cu (001) are non or weak magnetic system with considerable lower energy than the Ca terminated monolayers exhibiting half-metallic ferromagnetism. This observation was attributed to the strong Cu-N and Cu-C and weak Cu-Ca bonding at the interface. The climbing image nudged elastic band calculations indicated an activation barrier of about 1.18 eV per CaN unit between the high energy ferromagnetic and the stable nonmagnetic CaN monolayer on Cu (001). Therefore, epitaxial growth of a Ca terminated CaN thin film on Cu (001) is likely a practical way to form a new half-metal/metal junction. The magnetic and electronic properties of different interface terminations of CaN and CaC bilayer on Cu (001) were also studied. It was seen that surface anion layers of the Ca terminated bilayers preserves their half metallic character.
مشاهده ی مغناطش ناشی از اربیتال p در برخی ترکیبات فاقد عناصر واسطه، حوزه ی جدیدی را در علوم مغناطیس گشوده است.از جملهاین ترکیبات می توان به برخی آلیاژهای دوتایی یونی نظیر CaN و CaC اشاره کرد. همراه بودن رفتار فرومغناطیسی این دو ترکیب با ویژگی نیم فلزی در برخی ساختارهای شبه‌پایدار، می‌تواند برای صنعت اسپینترونیک نیز نویدبخش باشد. در این کار با استفاده از محاسبات مبتنی بر نظریه ی تابعی چگالی و روش شبه پتانسیل، به بررسی بلور CaN و CaC در ساختارهای نمک‌سنگی و ‌بلندروی و همچنین نانولایه های CaN و CaC در این ساختارها روی زیر لایه ی مس در راستای (001) پرداختیم. نتایج نشان می‌دهند که بلور CaN در ساختار نمک‌سنگی پایدارتر از ساختار بلندروی است و هردو ساختار رفتار فرومغناطیس نیم‌فلزی دارند. اما برخلاف انبوهه، نانولایه hy;های CaN و CaC ساختار ZB را ترجیح می دهند. خواص ساختاری نانو لایه های دو ترکیب مورد نظر در دو ساختار ZB و RS مورد مطالعه قرار گرفت، پایداری نسبی پایانه ها و الگو های مختلف شکل گیری لایه نازک بررسی و ساختار های پایدار مشخص شدند. محاسبات لایه نازک نشان می‌دهد که نانو‌لایه‌های CaN و CaC روی Cu(001) ساختار بلند روی و به ترتیب پایانه‌ی نیتروژن و پایانه ی کربن را ترجیح می دهند. یعنی ترکیبات بررسی شده تمایل به قرار گرفتن از طرف آنیون خود بر روی زیر لایه ی مس داشتند. همچنین لایه نازک CaC پیوند قوی تری با زیر لایه مس برقرار می کند. برای یافتن علت پایداری به سراغ طول پیوند، تعداد پیوند، چگالی الکترونی و نمودار چگالی حالت ها رفتیم. دلیل این پایداری پیوند نسبتا قوی اتم‌های نیتروژن با مس و اتم های کربن با مس است که منجر به غیرمغناطیسی شدن دستگاه نیز می‌شود . اثرات سطحی و مرزی بر خواص مغناطیسی و الکترونی مورد مطالعه قرار گرفت. ملاحظه شد در اثر تغییرات ساختار الکترونی اتم ها ی سطحی و مرز نسبت به حالت انبوهه، خاصیت نیم فلزی در دو لایه ای پایانه ی نیتروژن وکربن حفظ می شود نتایج نشان می دهد که در پایانه کلسیم لایه های نازک CaN و CaC روی زیر لایه مس، امکان بروز رفتار مغناطیسی وجود دارد. لذا برای بررسی میزان پایداری این پایانه ها در برابر پایانه های پایدار غیر مغناطیسی به بررسی مسیر گذار سیستم از حالت مغناطیسی به حالت غیر مغناطیسی پرداختیم. برای بدست آوردن مسیر کمینه ی انرژی، به سراغ روش NE و Cl-NEB رفتیم. محاسبات نشان داد انرژی فعال سازی مورد نیاز برای گذار از حالت شبه پایدار مغناطیسی به حالت پایدار غیر مغناطیسی در مورد لایه نازک CaN برای اجرای NEB و Cl-NEB به ترتیب برابر eV 36/1 و eV35/2 است. با توجه به بزرگی انرژی فعال سازی به این نتیجه رسیدیم که لایه نازک CaN روی زیر لایه مس پایدار است. بنابراین ما به یک اتصال جدید فلز /فرومغناطیس رسیدیم و آن وقتی است که ترکیب CaN از طرف کلسیم روی زیر لایه مس قرار بگیرد و سپس یک لایه نیتروژن روی آن لایه نشانی شود. به دلیل ناپیوستگی در مغناطش (ناپیوستگی در مشتق اول )، یک گذار فاز مرتبه ی اول از فاز فرومغناطیس به فاز غیر مغناطیسی داریم

تحت نظارت وف ایرانی