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Type: TESE
Degree Level: Doutorado
Title: Propriedades estruturais, eletrônicas e magnéticas de filmes finos de materiais magnéticos
Title Alternative: Structural, electronic and magnetic thin film properties of magnetic materials
Author: Araujo, Alexandre Abdalla
Advisor: Laks, Bernardo, 1947-
Abstract: Resumo: A Física de superfícies, interfaces e filmes finos vem se desenvolvendo muito rapidamente nas últimas décadas com o aparecimento de inúmeras técnicas experimentais para estudo das propriedades de superfície. Por outro lado, tem ocorrido um grande avanço dos equipamentos de informática e dos métodos computacionais, com o desenvolvimento de novos algoritmos, os quais já permitem o estudo de sistemas mais complexos como interfaces, defeitos, filmes-finos e nanofios, contendo um número cada vez maior de átomos. Um considerável interesse em superfícies e na deposição de filmes finos sobre superfícies, envolvendo metais, tem sido motivado pela possibilidade de se conseguir novas propriedades magnéticas e eletrônicas, incluindo temperaturas acima da temperatura ambiente, visando avanços tecnológicos em dispositivos eletrônicos. Nosso trabalho representa uma estratégia bastante promissora nessa área, pois nele identificamos claramente a possibilidade de produção de filmes finos com caráter ferromagnético half-metallic (isto é, com um canal de condução eletrônico semicondutor e outro metálico). Conforme pudemos mostrar, este caráter foi atingido a partir de pequenas variações de parâmetro de rede, de espessura de filme e de composição atômica. As propriedades observadas em nossos resultados teóricos sinalizam a importância de aplicação de diferentes materiais tais como CrAs, CrTe, CrAs(1-x)Sex, CrAs(1-x)T e x, CrSe(1-x) Tex, objetivando suas utilizações em Spintrônica. Desta forma, realizamos um estudo sistemático desses materiais, verificando suas propriedades eletrônicas e magnéticas e suas viabilidades de aplicações em novos dispositivos. Dois métodos de cálculo de estrutura eletrônica: o RS-LMTO-ASA (Real-Space ¿ Linear Muffin-Tin ¿ Atomic Sphere Approximation) e o FLAPW (Full Potential - Linearized Augmented Plane wave), assim como o método da Matriz Transferência foram utilizados em nossas investigações. Em primeiro lugar, apresentamos estudos teóricos sobre as fases estruturais e magnéticas observadas nas primeiras camadas de filmes finos de CrAs, crescidos sobre substratos de GaAs(001). Esses estudos englobaram processos de otimização de geometria, realizados através do método FLAPW, baseados em cálculos autoconsistentes de primeiros princípios, levando em consideração a polarização de spin. Em segundo lugar, estudamos as propriedades eletrônicas e magnéticas das superfícies CrAs(001) através do RS-LMO-ASA e determinamos as dispersões dos estados eletrônicos de superfície segundo direções de alta simetria na zona de Brillouin bidimensional. A seguir, como os resultados apontaram a possibilidade de obtermos mais materiais com comportamento ferromagnético half-metallic, passamos a investigar toda uma classe de materiais com estruturas volumétricas ou de filmes finos envolvendo os elementos Cr, As, Te, e Se, arranjados em ligas binárias (CrAs, CrSe, CrTe) e ternárias (CrAs(1-x)Sex, CrAs(1-x)T ex, CrSe(1-x)Tex), em diferentes concentrações e diferentes regiões superficiais. Como conseqüência, um amplo conjunto de resultados interessantes foi conseguido, confirmando nossas expectativas de que pequenas variações de parâmetro de rede, de espessura e de composição atômica são ingredientes fundamentais a serem considerados para se atingir uma transição do regime ferromagnético metálico para half-metallic e que isto representa uma área bastante promissora, que deverá estimular novos experimentos, com a produção de novos tipos de filmes finos, com espessura e composição controladas. Por último, apresentamos um estudo teórico do composto Fe2CoAl, no qual a precisão de nossos cálculos é comparada a medidas experimentais

Abstract: In the last decades, the Physics of Surfaces, Thin Films and Interfaces has motivated a great advance of the experimental techniques applied to study surface properties. In addition, a fast progress in the computational area has also occurred, with the development of powered computers, new methods of calculations, and new algorithms, which already allow the description of more complex systems, such as interfaces, defects, thin films and nanowires. A considerable interest in the deposition of thin films on surfaces, involving metals, has been motivated by the possibility of producing new devices using the fascinating electronic and magnetic properties, in order to produce technological advances in electronic devices. This work represents a promising strategy in this area, because we identify, clearly, the possibility of producing thin films with half-metallic character (that is, with a semiconductor electronic spin channel and a metallic spin channel, simultaneously). As we showed, this character was attained from small variations of lattice parameter, film thickness or atomic composition. The results of our theoretical calculations have pointed the importance of some materials such as CrAs, CrTe, CrAs(1-x)S ex, CrAs(1-x)Tex, CrS e(1-x)Tex to be used in the Spintronic branch. So, we carry out a systematic analysis of these new materials, emphasizing its structural, electronic and magnetic properties and the viability of using these materials in new electronic devices. Two different methods of electronic structure calculations: the RS-LMTO-ASA (Real-space - Linear Muffin-Tin - Atomic Sphere Approximation) and the LAPW (Linearized Augmented Plane-Wave), as well as the Matrix Transfer method have been used in our studies. Initially, we present the theoretical results of the structural and magnetic phases, observed in the first layers of thin films of orthorhombic CrAs, grown on a GaAs(001) substrate. Two geometry optimization processes have done with the Full-Potential Linearized Augmented Plane-Wave (FLAPW) method, based on first principles, self-consistent calculations, taking in account the spin polarization, at the scalar relativistic level. Secondly, we study the electronic and magnetic properties of the CrAs(001) surfaces, via the RS-LMTO-ASA, and determined the energy dispersion of the electronic surface states along two highly symmetric directions in the two-dimensional Brillouin zone. Then, as the results suggested the possibility of obtaining new thin films, with ferromagnetic half-metallic behavior, we started to investigate a large class of materials, with volumetric and thin films structures, of binary (CrAs, CrSe, CrTe) and ternary (CrAs(1-x)Sex, CrAs(1-x) Te, CrSe(1-x)Tex) systems, in different atomic concentrations and with different superficial regions. Consequently, a large quantity of interesting results was obtained for these ferromagnetic materials, confirming that small variations of lattice parameters, film thickness and atomic composition are the fundamental ingredients to be considered, in order to reach the transition from metallic regime to ferromagnetic half-metallic regime and that our results can stimulate new experiments with the aim of producing new thin films, with controlled thicknesses and atomic compositions. Finally, we present a theoretical study of the inter-metallic compound Fe2CoAl, by comparing the precision of our calculations with experimental measurements
Subject: Filmes finos
Magnetismo
Estados eletrônicos de superfície
Cálculos de primeiros princípios
Ferromagnetismo
Antiferromagnetismo
Language: Português
Editor: [s.n.]
Citation: ARAUJO, Alexandre Abdalla. Propriedades estruturais, eletrônicas e magnéticas de filmes finos de materiais magnéticos. 2008. 181 p. Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin, Campinas, SP. Disponível em: <http://www.repositorio.unicamp.br/handle/REPOSIP/277462>. Acesso em: 10 jun. 2019.
Date Issue: 2008
Appears in Collections:IFGW - Tese e Dissertação

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