RELATÓRIO TÉCNICO - CIENTÍFICO Período : 04 - pibic

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ
PRÓ-REITORIA DE PESQUISA E PÓS-GRADUAÇÃO
DIRETORIA DE PESQUISA
PROGRAMA INSTITUCIONAL DE BOLSAS DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA – PIBIC : CNPq,
CNPq/AF, UFPA, UFPA/AF, PIBIC/INTERIOR, PARD, PIAD, PIBIT, PADRC E FAPESPA
RELATÓRIO TÉCNICO - CIENTÍFICO
Período : 04/2015 a 08/2015
() PARCIAL
(x) FINAL
IDENTIFICAÇÃO DO PROJETO
Título do Projeto de Pesquisa: Nanoestruturas Metálicas
Nome do Orientador: Ângela Burlamaqui Klautau
Titulação do Orientador: doutor
Faculdade: Faculdade de Física
Instituto/Núcleo: ICEN
Laboratório: Física-pesquisa
Título do Plano de Trabalho: Introdução ao Estudo da Estrutura Eletrônica e
Propriedades de Sólidos
Nome do Bolsista: Lorena Coelho Silva
Tipo de Bolsa: ( X ) PIBIC/ CNPq
INTRODUÇÃO
O trabalho em questão tem como objetivo relatar o que foi estudado
durante o período de abril de 2015 a agosto de 2015. Cabe relatar que
anteriormente esta bolsa era de outro estudante, e portanto, a estudante teve
que iniciar todo o estudo programado no plano de trabalho. Desta forma, no
desenvolvimento deste trabalho de iniciação cientifica, será mostrado
resultados preliminares referentes ao estudo da estrutura eletrônica do Co, Pt e
Ir Bulk, cálculos realizados via a teoria da DFT usando o método RS-LMTOASA (Real Space - Linear Muffin - Tin Orbital – Atomic Sphere Aproximation).
Este trabalho insere-se na área de Física dos Materiais, em particular na
investigação de propriedades físicas de materiais nanoestruturados, notandose que este tópico é de grande interesse atualmente, devido ao seu elevado
potencial em aplicações tecnológica. Como exemplo de aplicações de física
básica em avanços tecnológicos temos a descoberta da GMR (Giant
Magnetoresistance) [1] observada em camadas metálicas. Estes estudos
contribuíram para o desenvolvimento de mídias com alta densidade de
armazenamento.
Apesar destes progressos da tecnologia de gravação de dados ser
devido ao avanço de técnicas experimentais, sabe-se que os métodos teóricos
proporcionam um maior entendimento dos sistemas em escalas nanométricas.
Por exemplo, a técnica experimental de SP-STM (Spin polarized- Scanning
Tunneling Microscope), aplicação particular do STM (Scanning Tunneling
Microscope), é um instrumento capaz de fornecer informações precisas sobre a
configuração magnética de diferentes geometrias sobre superfícies metálicas,
possibilitando a distinção de estados magnéticos (em colineares e não
colineares) e ainda investigando quantitativamente as interações magnéticas
átomo a átomo. No âmbito teórico o estudo da estrutura eletrônica e das
propriedades magnéticas destes materiais é efetuado por meio de cálculos de
primeiros princípios baseados na teoria DFT (Density functional Theory),
método computacional requintado, bastante eficaz e muito utilizado para a
solução de problemas de muitos elétrons interagentes, como os observados via
SP-STM.
JUSTIFICATIVA
O estudo das nanoestruturas magnéticas é importante, pois nos permite
investigar inúmeras propriedades físicas interessantes, como por exemplo,
efeitos quânticos da nanoescala, além do seu forte potencial em aplicação
tecnológica. Uma conquista recente proveniente de estudos como este, é a
possibilidade de pensar na estabilização de bits compostos por 12 átomos a
baixa temperatura e na construção de nanodispositivos que realizam
operações lógicas usando somente spins [2].
OBJETIVOS
No presente trabalho de iniciação científica, objetiva-se a compreensão
do
método
RS-LMTO-ASA
e
aprendizagem
de
suas
ferramentas
computacionais necessárias para o seu manuseio. Para isto, pretende-se
realizar cálculos de estrutura eletrônica do Ir, Co e Pt Bulk.
MATERIAIS E MÉTODOS
Em vista destas perspectivas, é importante pesquisar na literatura
trabalhos (artigos, teses, dissertações entre outros) que reúnem estudos
teóricos com o tema proposto. Quanto à parte computacional recorremos a
manuais e tutoriais sobre sistemas operacionais e linguagens de programação
Unix, e ainda a programas como ScidAVIS (Scientific Data Analysis and
Visualization) para a construção de gráficos.
Utilizamos o método RS-LMTO-ASA como auxilio nas medições e coleta
de dados e é importante ressaltar que tais procedimentos só se fizeram
possíveis por meio do suporte do parque computacional de alto desempenho
do
CENAPAD-Unicamp
Desempenho).
(Centro
Nacional
de
Processamento
de
Alto
RESULTADOS
Apresentamos nesta seção resultados obtidos via o método RS-LMTOASA das estruturas eletrônicas dos sistemas Ir, Pt e Co Bulk, fazendo uma
breve discussão sobre as propriedades magnéticas encontradas.
Ao realizarmos o estudo da estrutura eletrônica dos sistemas Bulks,
calculamos o momento magnético de spin e orbital. Para ser possível calcular
os momentos orbitais incluímos a interação de spin-orbita à Hamiltoniana
utilizada na autoconsistência.
Iniciamos efetuando o calculo do Ir Bulk, utilizando um cluster com
aproximadamente 7400 átomos, de estrutura cristalina fcc (face centered cubic)
com parâmetro de rede experimental de 3.84 Å.
Na fig. 1 mostramos a densidade de estados local (Local Density of
States - LDOS) para o Ir bulk. Como esperado as LDOS majoritárias (up) e
minoritárias (down) são equivalentes.
Figura 1: Densidade de estados local (LDOS) para Ir bulk.
Sendo o momento magnético de spin, mspin, obtido fazendo a diferença
entre as ocupações das bandas majoritárias e minoritárias, representado pela
seguinte equação:
mspin=n↑−n↓
(1)
onde n↑−n↓ são as ocupações das bandas com spins up e down,
respectivamente. Obtemos como resultado um valor nulo para o mspin do Ir
bulk. E o momento magnético orbital, que é proporcional a diferença das
ocupações no nível de Fermi, da mesma forma, possui valor nulo. Desta forma
concluímos que o Ir bulk é um material não magnético.
Posteriormente, estudamos a estrutura eletrônica da Pt Bulk, para esta
simulamos uma rede cúbica fcc com aproximadamente 7400 átomos e
parâmetro de rede experimental de 3,92 Å. Observe a fig.2, que mostramos a
LDOS calculado para o Pt Bulk, assim como para o Ir Bulk a densidade de
spins majoritários (up) é igual à densidade de spins minoritários (down), da
mesma forma obtemos como resultado valor nulo para o momento magnético
spin e momento magnético orbital.
Figura 2: Densidade de estados local (LDOS) para Pt bulk.
Os resultados obtidos deste estudo mostram que a Pt bulk apresenta
uma elevada densidade de estados no nível de Fermi, caracterizando uma alta
suscetibilidade magnética para este metal.
Dando prosseguimento no cálculo da estrutura eletrônica de sistemas
bulk, calculamos o Co bulk utilizando um cluster com cerca de 10300 átomos,
de estrutura cristalina hcp (hexagonal close packed) com parâmetros de rede
experimental de a= 2,51 Å e c=4,07 Å. Cabe lembrar que o Co está próximo de
ser um hcp ideal dado que a razão c/a é de 1,622 [4].
Com os resultados das ocupações por orbital das bandas majoritárias
(spin up) e minoritárias (spin down) do Co bulk hcp construímos a tabela 1.
spin up
spin down
s
0,334
0,359
p
0,361
0,438
d
4,616
2,892
Tabela 1: Ocupações por orbital das bandas majoritárias e minoritárias.
Na fig. 3 apresentamos a densidade de estados local LDOS para o Co
bulk. Para este material obtivemos o valor de 1,62 uB para o momento
magnético de spin, este valor está em boa concordância com outros resultados
obtidos na literatura [5], e de 0,057 uB para o momento magnético orbital.
Figura 3: Densidade de estados local (LDOS) para Co bulk.
ATIVIDADES A SEREM DESENVOLVIDAS NOS PRÓXIMOS MESES
Pretendemos investigar as propriedades magnéticas e comportamento
do LDOS de cada plano (Ir-(S), Ir-(S-1) e Ir-(S-2)) da superfície livre (sem
defeitos) de Ir(111), a qual já iniciamos a simulação. E ainda realizar o estudo do
comportamento magnético de um adátomo de Co adsorvido nessa superfície. CONCLUSÃO
Neste relatório investigamos o comportamento magnético dos metais Ir,
Pt e Co através dos cálculos da estrutura eletrônica dos seus sistemas Bulk. O
momento magnético de spin e orbital obtidos na simulação foram nulos tanto
para o Ir Bulk como para a Pt Bulk, ambas de estruturas cristalinas fcc, o que
os caracteriza como não magnéticos. No entanto ao analisarmos o LDOS no
nível de Fermi dos metais Ir e Pt, percebemos um comportamento interessante
para cada metal, que de acordo com o critério de Stoner [6] dependendo da
elevação do LDOS nesta faixa identificamos a suscetibilidade magnética do
material. Desta forma percebemos que o Pt Bulk apresenta elevada
suscetibilidade magnética. Já para o Co Bulk obtemos momento magnético de
spin e orbital não nulos, sendo os resultados das ocupações por orbital das
bandas majoritárias e minoritárias de valores diferentes.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] Royal Swedish Academy, The discovery of Giant Magnetoresistence.
(http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2007/advancedphysicsprize2007.pdf).
[2] S. Loth et al., Science 335, 196 (2012).
[3] B. M. Moskowitz. Hitchhiker's Guide to Magnetism.
(http://www.irm.umn.edu/hg2m/hg2m_index.html)
[4] C. Kittel, Introduction to Solid State Physics, (7th Ed., Wiley, 1996).
[5] V. L. Moruzzi, J. F. Janak, and A. R. Willians, Calculated Electronic
Proprieties of Metal (Pergamon, New York, 1978).
[6] N. W. Ashcrof and N. D. Mermin, Solid State Physics (1976).
PARECER DO ORIENTADOR:. A estudante Lorena está com bolsa a apenas
4 meses, mas desenvolveu seu trabalho de forma bastante satisfatório. A
estudante é aplicada e apresenta grande interesse em assuntos científicos.
DATA : ______/_________/________
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ASSINATURA DO ORIENTADOR
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ASSINATURA DO ALUNO