Wybrane zadania szczegółowe

Nanostruktury magnetyczne

Badania obejmą własności elektryczne i magnetyczne układów mezoskopowych o specyficznej geometrii, np. nanorurki węglowe, układy pierścieniowe oraz pojedyncze i sprzężone kropki kwantowe. Obiekty te są obecnie intensywnie badane i niektóre z nich znajdują już praktyczne zastosowania w mikroelektronice (płaskie wyświetlacze, przenośny aparat Roentgena, prostowniki prądu, czujniki chemiczne i magnetyczne, tranzystory jednoelektronowe itd.). W szczególności badany będzie transport elektronowy przez nanorurki w zależności od ich chiralności, rodzaju elektrod i struktury interfejsów. W przypadku elektrod ferromagnetycznych, głównym zagadnieniem będą badania dotyczące gigantycznego magnetooporu i polaryzacji prądu w procesach nierównowagowych. W limicie słabego sprzężenia nanostruktura/elek-troda zagadnienie to sprowadza się do tunelowego magnetooporu i wymaga uwzględnienia mechanizmu blokady kulombowskiej oraz tzw. procesów współtunelowania (ang. cotunneling). Innym bardzo ważnym zagadnieniem badanym w ramach niniejszego projektu będzie reakcji nanostruktur na zewnętrzne pole magnetyczne. Zbadane też zostaną efekty wynikające z bliskiego kontaktu (ang. proximity) nanoobiektu i nadprzewodnika.

Transport elektronowy i dziurowy w domieszkowanych tlenkach metali przejściowych

Badania dotyczyć będą zależnego od spinu transportu ładunku w układach typu YIG (granat itrowo-żelazowy) domieszkowanych metalami dwuwartościowymi. Motywacją do podjęcia tych badań są bardzo interesujące wyniki eksperymentalne dotyczące magnetooporu w ultracienkich warstwach YIG, który po domieszkowaniu wapniem staje się półprzewodnikiem o uporządkowaniu ferrimagnetycznym. Zbadany zostanie też wpływu zewnętrznego pola magnetycznego na oddziaływanie nadwymiany pomiędzy dziurami w stanach orbitalnych żelazowo-tlenowych o różnej symetrii oraz możliwości kontroli tunelowania dziur pomiędzy nanoklastrami tetragonalnymi i oktaedrycznymi traktowanymi jako kropki kwantowe.

Efekty powierzchniowe w nowych materiałach magnetycznych

Ostatnio wielkie zainteresowanie wzbudziły makrokryształy zwane "photonic crystals"; są to periodyczne struktury złożone z dwóch przeźroczystych dielektryków tworzących "makro-kryształ" o stałej sieciowej rzędu od 0.1 mm do 1 cm. Materiały te tworzono z intencją otrzymania "fotonicznej" przerwy energetycznej, w której propagacja fal optycznych byłaby wzbroniona. Obiecujące perspektywy badawcze związane z kryształami fotonicznymi inspirują do podjęcia teoretycznych badań magnetycznych makrokryształów topologicznie równoważnych strukturom fotonicznym, a mianowicie strukturom złożonym z (różnych) materiałów magnetycznych; obiektem badań w takich materiałach stają się magnetyczne wzbudzenia. Z uwagi na to, iż materiały magnetyczne mają, ogólnie biorąc, szerokie zastosowania technologiczne, można oczekiwać, iż ten nowy rodzaj materiałów ("kryształy magnoniczne") będzie miał także istotne znaczenie dla ewentualnych przyszłych zastosowań.

Wielowarstwowe układy magnetyczne

Celem badawczym będzie również poznanie własności elektronowych i magnetycznych szerokiej klasy materiałów nanoskopowych w postaci: cienkich warstw oraz wielowarstw. W szczególności badania poświęcone będą zastosowaniom w strukturach typu PSV warstw Ti/Co jako miękkiego ferromagnetyka, warstw NiO/Co jako twardego ferromagnetyka oraz warstw wielokrotnych Fe/Si jako sztucznego antyferromagnetyka; badaniom struktur warstwowych wykazujących liniową i bezhisterezową zależność R(H), badaniom magnetoelastycznych własności cienkich warstw stopów Heuslera, wykazujących ferromagnetyczną pamięć kształtu, badaniom magnetycznych, metalicznych układów trójskładnikowych, mających zastosowanie dla cyfrowego zapisu informacji (wielowarstw Co/Gd/Pt o nanoskopowych grubościach podwarstw metali 4f i 5d), badaniom układów metal-półprzewodnik, wykazującym silne sprzężenie antyferromagnetyczne i potencjalnie mających zastosowanie jako nowe materiały dla magnetoelektroniki. Zbadany zostanie również wpływ międzywierzchni i warstw przypowierzchniowych na własności magnetyczne i transport elektronowy w układach warstwowych. Szczególna uwaga zwrócona będzie na efekty związane z anizotropią magnetyczną i jej wpływem na widmo rezonansu fal spinowych.

Obliczenia numeryczne z pierwszych zasad

Szybki rozwój technik obliczeniowych oraz dostęp do komputerów o dużej wydajności obliczeniowej umożliwia prognozowanie oraz symulację zjawisk fizycznych zachodzących wewnątrz materiału oraz na jego powierzchni. Informacje te mogą być użyteczne do projektowania nowych materiałów o pożądanych własnościach fizyko-chemicznych. Obliczenia "ab-initio" użyte zostaną do przeprowadzenia kompleksowych badań nowych materiałów dla magnetoelektroniki, nie tylko w postaci metalicznych stopów magnetycznych i układów warstwowych, ale także układów hybrydowych typu metal/półprzewodnik. Szczególna uwaga poświęcona zostanie takim zagadnieniom jak zależne od spinu widma fotoemisyjne oraz efekty magnetooptyczne.

Skaningowa spektroskopia tunelowa nanostruktur

Celem badań jest optymalizacja syntezy koloidalnych cząstek magnetycznych, takich jak np. Co, Ni lub Fe2O3 oraz ich charakteryzacja metodami mikroskopii skaningowej i spektroskopii tunelowej. Optymalizacja będzie polegała na zastosowaniu dotychczas nie stosowanych środków redukujących celem uzyskania monodyspersyjnych cząstek. Dla uzyskania stabilności zawiesin koloidalnych będą stosowane stabilizatory, a dla zabezpieczenia cząstek przed utlenianiem, przeprowadzone będą eksperymenty pokrywania cząstek magnetycznych cienką warstwą złota. Kolejnym etapem będzie przeprowadzenie badań mających na celu poznanie korelacji między wielkością ziaren a ich własnościami magnetycznymi. Strukturalne badania będą przeprowadzone za pomocą wysokorozdzielczej transmisyjnej mikroskopii elektronowej (HRTEM). Magnetyczne i elektryczne badania nanocząstek będą realizowane za pomocą mikroskopii tunelowej (STM) i siłowej (AFM).

Półprzewodniki półmagnetyczne

Prowadzone prace można podzielić na dwie grupy - projekty technologiczne - a więc opracowanie nowych technologii materiałów (w szczególności półprzewodników ferromagnetycznych), struktur półprzewodnikowych i przyrządów oraz na badanie zjawisk fizycznych zachodzących w wyżej wymienionych materiałach i urządzeniach pod kątem ich użyteczności dla potrzeb magnetoelektroniki. W ramach pierwszej grupy można wspomnieć o próbach otrzymania półprzewodników ferromagnetycznych o wysokiej temperaturze krytycznej (np. ZnMnO) czy opracowaniu technologii cienkich warstw np. EuGdTe umożliwiających wstrzykiwanie spolaryzowanych spinów do niemagnetycznych półprzewodników. W ramach drugiej grupy zagadnień należy wymienić badania doświadczalne i teoretyczne transportu elektronowego i zjawisk optycznych zależnych od spinu w półprzewodnikach i wykonanych z nich niskowymiarowych struktur i wielowarstw.
Prowadzone będą również badania własności magnetycznych (podatność, namagnesowanie) i rezonansów magnetycznych oraz sprzężeń wymiennych w wielowarstwach zawierających materiały półprzewodnikowe.

Materiały termoelektryczne

Intensywnie prowadzone poszukiwania nowych materiałów termoelektrycznych koncentrują się obecnie m.in. na badaniach własności transportowych układów z silnie skorelowanymi elektronami (SCES). Koncepcja zastosowania związków SCES w charakterze termoelektryków, szczególnie w chłodziarkach Peltiera, wynika z charakterystyk temperaturowych ich siły termoelektrycznej, oporności elektrycznej i przewodnictwa cieplnego, związanych z niezwykle dużą gęstością elektronową na poziomie Fermiego. Prowadzi to do znacznych wartości podstawowego parametru termoelektrycznego, tzw. współczynnika dobroci. Planuje się wykonanie kompleksowych pomiarów własności transportowych, termodynamicznych i magnetycznych szeregu związków ceru i iterbu, charakteryzujących się silnymi korelacjami elektronowymi. Związki CePd3Mx, gdzie M = Ga, In, Ge, Sn, Pb, Sb i Bi, tworzą grupę połączeń o najbardziej perspektywicznych własnościach ze względu na charakterystyki termoelektryczne. Fazy te cechuje duża czułość własności makroskopowych na subtelne zmiany struktury elektronowej, wywoływane kontrolowanym domieszkowaniem. Realizacja planowanych zadań badawczych przyczyni się do poszerzenia wiedzy o własnościach termoelektrycznych układów SCES i wyznaczy kierunki optymalizacji ich charakterystyk technologicznych.

Związki międzymetaliczne

Planowane jest badanie własności magnetycznych oraz struktury elektronowej związków międzymetalicznych RnTmXp, (R - pierwiastek ziemi rzadkiej, T - pierwiastek d-elektronowy, X - pierwiastek p-elektronowy). Związki tego typu są przedmiotem intensywnych badań ze względu na ciekawe własności magnetyczne i elektronowe, co w wielu przypadkach doprowadziło już do zastosowań praktycznych. Kontynuowane będą badania związków o strukturze YIrGe2, w której atomy ziemi rzadkiej obsadzają dwie różne podsieci o różnej symetrii i otoczeniu atomowym. Wyniki tych badań dostarczą informacji o mechanizmie oddziaływań magnetycznych oraz roli pola krystalicznego w stabilizacji struktury magnetycznej. Drugim zagadnieniem jest zbadanie własności magnetycznych układów wykazujących efekt frustracji oddziaływań, w tym również związków RTX o strukturze heksagonalnej typu ZrNiAl. Trzecim obszarem badań jest określenie struktury elektronowej tych związków i powiązanie jej z własnościami magnetycznymi. Badania te w szczególności koncent rować się będą na związkach z lekkimi ziemiami rzadkimi (La, Pr, Nd) oraz Yb. W planowanych badaniach szczególna uwaga zwrócona zostanie na: (i) Własności magnetyczne, transportowe oraz strukturę elektronową wybranych związków międzymetalicznych w celu uzyskania nowych materiałów o określonych własnościach. (ii) Układy charakteryzujące się silnym efektem magnetycznym, magnetostrykcyjnym lub magnetooporowym. (iii) Obliczenia numeryczne zmierzające do wyjaśnienia eksperymentalnie wyznaczonych struktur magnetycznych.