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-LMTO- ASA (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 (Centro Nacional de Processamento de Alto Desempenho).
RESULTADOS Apresentamos nesta seção resultados obtidos via o método RS-LMTO- ASA 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 : / / ASSINATURA DO ORIENTADOR ASSINATURA DO ALUNO