19829

۱۹۸۲۹

بررسي اثرات نسبيتي در مغناطيس مولكولي

دكتري

فيزيك

۱۳۹۱

۱۳۹۷/۸/۱۲

دكتر مهدي افشار

فيزيك

نياز به مگنت هاي كوچك و كوچك تر به طور گسترده همزمان با سوق صنعت به سمت وسايل ذخيرة اطلاعات ديجيتال در اندازة كوچك، روز به روز افزايش مي يابد. در نتيجه مغناطيس نيز كه از اين امر مستثني نمي باشد به يك زير مجموعه در زمينه نانو تبديل شده است. به همين دليل مگنت هاي مبتني بر مولكول در زمينه نانومغناطيس با ارائة روش از پايين به بالا براي رسيدن به مواد مغناطيسي در مقياس نانو از اهميت زيادي برخوردار شده اند. مغناطيس مولكولي يكي از جديدترين زمينه هاي فيزيك ماده چگال مي باشد كه هم راستا با مغناطيس نانوساختارهاي فلزي و اسپين ترونيك توسعه داده شده است. اين زمينه به بررسي و طراحي مگنت هاي مولكولي مي پردازد. مگنت هاي مولكولي نيز متشكل از مواد كاملا ارگانيك، تركيب ارگانيك/غيرارگانيك (كلاسترها) و يون هاي فلزي هستند كه فلزات f,d نقش مهمي در طراحي و سنتز آن ها بازي مي كنند. در اين رساله، مطالعات ما بر روي تاثير اثرات نسبيتي (جفت شدگي اسپين-مدار (SOC)) بر ويژگي هاي مغناطيسي مگنت هاي مولكولي بر پايه فلزات واسط 3d كه توسط بخش هاي ارگانيك (تركيبات ارگانومتاليك ) و غير ارگانيك (كلاستر ها) احاطه شده اند، متمركز شده است. در اين مطالعات جفت شدگي اسپين-مدار به عنوان مهم ترين اثر نسبيتي به صورت تغيير ويژگي هاي مغناطيسي و ناهمسانگردي مغناطيسي در تركيبات مورد مطالعه ظاهر مي شود. محاسبات در چارچوب نظريه نسبيتي تابعي چگال (RDFT) و با استفاده از تقريب شيب تعميم يافته (GGA) انجام شده است. ويژگي هاي ساختاري، الكترونيكي و مغناطيسي كلاسترهاي TM@Mg8 در اين چارچوب مورد بررسي قرار گرفته اند. محل جذب، انرژي پيوند، گاف HOMO-LUMO ، ساختار اوربيتال HOMO، مومنتوم اسپيني و مداري تك اتم هاي TM جذب شده و محاسبات ml-resolved به منظور درك گشتاور مغناطيسي القا شده در اين اتم ها در درون كلاستر Mg8 در رژيم كاملا نسبيتي محاسبه شده اند. محاسبات انرژي جذب، درون كلاستر Mg8 را به عنوان جايگاه پايدار اتم TM نشان مي دهند. در اين تركيبات توسط برنامه گوسين ساختار و ترتيب پرشدن سوپراوربيتال ها بررسي شده است. طبق محاسبات انجام شده، حضور اتم TM در اين كلاسترها ترتيب پر شدن سوپر اوربيتال ها را طبق مدل ژله اي بر هم مي زند. بر اساس محاسبات مغناطيسي و بررسي شكافتگي تبادلي و شكافتگي ميدان ليگاند Mg8 در اوربيتال HOMO، مشخص شده است كه اين تركيبات ساختار اسپيني زياد دارند. محاسبات ما در رژيم نسبيتي نشان مي دهد كه حضور برهم كنش اسپين-مدار در اين تركيبات تكانة مداري خاموش شدة اتم هاي TM در ميدان ليگاند كلاستر Mg8 را تا اندازه اي القا مي كند. در اين تركيبات، كلاسترهايFe@Mg8، Co@Mg8 و Ni@Mg8 به دليل دارابودن همزمان پايداري ساختاري و حالت اسپيني زياد به عنوان سوپراتم معرفي شده اند. در تركيب كبالت-بنزن-تركيب ارگانومتاليك- ويژگي هاي ساختاري و مغناطيسي (تكانة اسپيني و مداري اتم كبالت) در تقريب GGA بررسي شده اند. نتايج ما در توافق با نتايج ارائه شده بر اساس اين تقريب، حالت اسپيني كم در ارتفاع جذب نزديك به صفحة بنزن براي اتم كبالت (1.5Å) براي ساختار كبالت-بنزن پيش بيني كرده است. علاوه بر اين به دليل همبستگي الكترون در اتم جذب شدة كبالت بر روي بنزن، بررسي اين ويژگي ها در روش هاي با دقت بالا ضروري مي باشد. به همين دليل اين ويژگي ها در محاسبات FSM در حضور پارامتر هابارد U (U=2,4 eV) در تقريب GGA+U نيز مطالعه شده اند. همچنين انرژي ناهمسانگردي مغناطيسي در حضور جفت شدگي اسپين-مدار و پارامتر هابارد بررسي شده است. نتايج محاسبات نشان مي دهند كه توصيف درست ساختار جذب اتم كبالت برروي بنزن و ويژگي هاي مغناطيسي آن نيازمند تقريب هاي با دقت بالا مي باشد. در حضور پارامتر هابارد U( U=4 eV) حالت پاية سيستم كبالت –بنزن بر خلاف محاسبات بدون U به صورت حالت با اسپين زياد با ارتفاع جذب بيشتر براي اتم كبالت از صفحة بنزن (1.84Å) پيش بيني شده است. در محاسبات MAE براي حالت پاية تركيب با اسپين زياد و ارتفاع جذب 1.84Å، محور آسان تركيب در جهت موازي در صفحه قرار مي گيرد. در اين حالت در نظر گرفتن پارامتر هابارد U=4 eV اندازة MAE محاسبه شده را افزايش مي دهد. علاوه بر اين ماهيت پيوندي يكي ديگر از مگنت هاي مولكولي، TM@Olympicene - مگنت ارگانومتاليك- نيز بررسي شده است. آناليز ماهيت پيوندي برهم كنش هاي TM-C در تركيبات TM@Olympicene به كمك تئوري اتم در مولكول (AIM) صورت گرفته است. نتايج محاسبات نشان مي دهد كه اين پيوند ها نسبتا داراي مشخصه هايي از پيوند كوالان مي باشند.

1397/10/09

Relativistic Effects in Molecular Magnetism

12/30/2018 12:00:00 AM

The need for smaller and smaller magnets progressively increases as industry continues the push towards greater miniaturization. Magnetism has consequently become a major sub-division of nanoscience. Therefore, molecular magnets-magnets based on molecule- are of great importance because it represents a bottom-up approach to nanoscale magnetic materials. Molecular magnetism as a new field in the solid state physics has been developed along with metallic nanostructure and spintronics. The molecular magnets will be design in the field of molecular magnetism. The molecular magnets consist of pure organic and organic/inorganic compounds including paramagnetic ions which d/f orbitals play an important role to design them. In this thesis our studing have been concentrated on the effects of relativistic effects (spin-orbit coupling) on the magnetic properties of molecular magnets based on 3d transition metals which surrounded with organic (organometallic compounds) and inorganic (clusters) parts. Our calculations have been don in the framework of relativistic density functional theory (RDFT) within generalized gradient approximation (GGA) and GGA+U approximation. We have studied structural and magnetic properties of TM adatoms in Mg8 clusters. Adsorption site, binding energy, spin and orbital magnetic moments, HOMO-LUMO gap and ml-resolved calculations have been investigated in thses compounds. We identify Fe@Mg8, Co@Mg8 and Ni@Mg8 with both high stability and large spin magnetic moments as magnetic superatoms. We found V and Co doped in Mg8 cluster show substantial orbital moments compared to the almost quenched orbital moments for the other TM atoms embedded in Mg8 cluster.We also found that these clusters follow superatomic picture. Moreover, accurate description of structural and magnetic properties of Co-Benzene complex have also been investigated in the presence of Hubbard parameter U. Structural and magnetic properties, spin and orbital magnetic moments of Co atom and magnetic anisotropy energy have been calculated in GGA and GGA+U(U=2,4 eV). We have investigated that varing the strength of Coulomb repulsion results to different equilibrium positions for the Co adatom on benzene molecule. We also found two stable low-spin and high-spin multiplicities for the complex. The nature of the high-spin configuration was explained according to the Hubbard electron-electron correlation in 3d shell of the Co adatom. The relativistic spin-orbit coupling and using orbital polarization correction induce considerable orbital magnetism in both low and high spin states of the complex. We have also calculated magnetic anisotropy energies for two spin states and we found out that an out-of-plane magnetic orientation of Co adatom is more favorable in the low spin state whereas the Coulomb repulsion (U=2,4 eV) predicts an in-plane magnetic orientation for Co adatom. In addition to TM@Mg8 and Co-Benzene, the nature of TM-C bonds in TM@Olympicene complexes have been analyzed based on the Bader's atoms in molecules (AIM) theory by means of the AIM2000 program.