Магнитные характеристики нанокластеров железа

Изучение нанокристаллического состояния, существенно меняющего большинство физических характеристик веществ, является весьма актуальным. Большой практический интерес представляют работы, посвященные исследованиям магнитных характеристик нанокристаллов ферромагнитных веществ. Уже было показано, что размер нанокристаллов железа существенно влияет на величину их намагниченности. Тем не менее адекватной модели структуры нанокристаллических образований, состоящих из различного количества атомов железа, позволяющей описать выявленные экспериментально изменения магнитных характеристик, до сих пор не представлено.

В работе анализируются различные по конфигурации и количеству слагающих их атомов нанокристаллические кластеры железа. Построены пространственные модели кластеров с помощью программы трехмерного моделирования и определены координаты отдельных атомов в кластере. За основу предлагаемых структур нанокристаллов приняты тетраэдрически плотноупакованные кластерные сборки атомов железа. Для предлагаемых кластеров были построены спектры плотности электронных состояний. Для этого использовали теорию функционала электронной плотности, расчёт проводился по методу рассеянных волн в соответствии с зонной теорией кристаллов.

Показано, что появление намагниченности в тетраэдрических плотноупакованных кластерных образованиях связано с возбуждёнными электронными состояниями атомов, находящихся на поверхности нанокластера. Возбуждённые атомы обладают повышенной электронной плотностью, т. е. электроны способны переходить в состояния с большей энергией, приближаясь к энергии Ферми. При этом выполняется условие Стонера, необходимое для возникновения намагниченности. Конфигурации электронов со спином вверх и вниз отличаются, из-за чего появляются нескомпенсированные магнитные моменты. Подтверждено, что предложенные модели нанокластеров железа удовлетворительно соответствуют известным экспериментальным данным.