藉由第一原理分析CoSi(核)/SiO2(殼)、 CrSi2(核)/SiO2(殼) 和FeSi(核)/SiO2(殼)奈米電纜異常的鐵磁性質

First-principles Analyses of Unusual Ferromagnetism Observed in CoSi (Core)/SiO2 (Shell),CrSi2 (Core)/SiO2 and FeSi (Core)/SiO2 (Shell) Nanocables

李承澤(Cheng-Tse Lee)

指導教授 ： 歐陽浩

國立清華大學/工學院/材料科學工程學系/碩士(2011年)

https://doi.org/10.6843/NTHU.2011.00314

摘要

摘要

本實驗藉由第一原理分析CoSi(核)/SiO2(殼)、CrSi2 (核)/SiO2 (殼)和 FeSi(核)/SiO2 (殼)奈米電纜異常的鐵磁性質，這是有別於它們在塊材時為反磁性以及順磁性材料的。這樣的奈米電纜結構，主要是因為表面的過渡金屬原子未完全配位鍵結及鍵結的扭曲，使得過渡金屬原子3d軌域的自旋向上和自旋向下的電子數不同，而有鐵磁性材料的性質。藉由高解析度電子顯微鏡圖來確定其成長方向和朝向界面的方向，以朝向界面的方向的過渡金屬矽化物和非晶質SiO2接合，建構近似真實奈米電纜的表面結構，並利用第一原理模擬分析。CoSi奈米線為B20型態結構(空間族為P213)，其沿著[211]方向成長，CoSi奈米線除了表面鍵結得不對稱性產生磁性外，內部的缺陷也會產生磁化量，藉由近一步的缺陷假設計算，將內部缺陷產生的磁化量分配到表面Co原子，計算結果和實驗結果相近； CrSi2奈米線為C40型態結構(空間族為P6222)，其沿著[0001]方向成長，CrSi2奈米線磁化量來自於表面不對稱鍵結，第一原理計算出的值在加上表面粗糙度所增加的表面積以及氧的影響，計算結果得出和實驗結果相同數量級的磁化量；FeSi奈米線為B20型態結構(空間族為P213)，其沿著[111]方向成長FeSi奈米線磁化量也是來自於表面不對稱鍵結，由於上下界面Fe原子距離表面差異大，使的磁化量差距大。了解過渡金屬矽化物奈米線的磁性來源，可以研究其在磁性半導體的應用。

關鍵字

奈米線 ； 第一原理 ； 過渡金屬矽化物

並列摘要

First-principles density functional theory-based with spin-polarized calculations were used to investigate CoSi/SiO2 ,CrSi2/SiO2 and FeSi/SiO2 nanowires. The CoSi,CrSi2 and FeSi in bulk are diamagnetic and paramagnetic , but the ferromagnetism in CoSi/SiO2 ,CrSi2/SiO2 and FeSi/SiO2 nanowires was observed. Due to the distorted /dangling bonds in surface , the electron spin up and spin down in d-orbital from transitional metal atoms become asymmetric. Nanowires grows direction and side direction is determined by high resolution TEM and set side direction linking with amorphous SiO2 to bulid a close nanowire surface structure to simulate by first-principle. The cubic CoSi B20 type (P213) nanowires grow along [211] direction. Magnetization is not only from Co atom in surface , but also caused by internal defect. Set the defect in CoSi to simulate and assign total internal magnetization to the surface Co atom, simulation value is pretty consistent with experimental result. The hexagonal CrSi2 C40 type (P6222) nanowires grows along [0001] direction. The ferromagnetism is caused by distorted/dangling bonds in surface. The simulations are very consistent with measurements by further considering the effects of interfacial roughness and distribution of oxygen around the interface. The cubic FeSi B20 type (P213) nanowires grow along [111] direction. The ferromagnetism is also caused by distorted/dangling bonds in surface. The distance from surface to up and down plane Fe atom is different largely, so the magnetization is different largely, too. To understand the ferromagnetism source in transitional metal silicides can investigate the application in ferromagnetic semiconductor.

參考文獻

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