Titelaufnahme

Titel
Simulation of structure and magnetic properties of nanoclusters / Florian Dorfbauer
VerfasserDorfbauer, Florian
Begutachter / BegutachterinSchrefl, Thomas ; Eisenmenger-Sittner, Christoph
Erschienen2006
Umfang120 Bl. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Diss., 2006
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Molekulardynamik / Embedded Atom Methode / Kern-Schalen Formationen / Nanomagnetismus / numerische Simulation
Schlagwörter (EN)Molecular Dynamics / Embedded Atom Method / Core-Shell Systems / Nanomagnetism / Micromagnetism / Numerical Simulation
Schlagwörter (GND)Nanopartikel / Molekulardynamik / Struktur / Magnetische Eigenschaft / Simulation / Numerisches Verfahren
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-21206 Persistent Identifier (URN)
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Simulation of structure and magnetic properties of nanoclusters [2.24 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

The formation of magnetic nanoclusters is simulated using molecular dynamics simulations. In general, metals can not be described by a simple pair potential approach. Therefore, the embedded atom method is used to account for the specific properties of the investigated materials. In combination with an alloy model proposed by Johnson, the embedded atom method allows for investigations with multiple substituents making it a feasible tool to explore crystalline formations in magnetic materials. The temperature is adjusted and controlled by a Nosé-Hoover thermostat. To test the developed simulation tool, bulk material properties such as the equilibrium lattice constant or the thermal expansion coefficient are determined for different published potentials. Furthermore, the experimentally approved core-shell formation of CoAg is simulated. The calculation of the annealing process yields a clear segregation of the Ag atoms towards the surface. The crystal planes of the core do not show a unique stacking order. To investigate the layering of the core, an automated analysis tool is employed. CoAg core-shell formations exhibit an intermixture between hexagonal closed packed fractions and a face centered cubic structure in the considered parameter range.

Magnetically, nanoparticles behave differently as compared to bulk materials. The high surface-to-volume ratio of nanoclusters influences the magnetic properties drastically. Additionally, the morphology of a nanocluster influences the effective magnetocrystalline anisotropy. The facets of aggregates consisting of a few thousand atoms depend on the systems size and is a direct consequence of the surface energy minimization. A magnetic model is introduced to account for the peculiarities of nanoclusters. A long-range formulation of the exchange energy accounts for deviations in the exchange energy appearing for atoms close to the surface. Surface atoms exhibit less neighbors than non-surface atoms, leading to lower exchange energies. Therefore, the magnetocrystalline anisotropy is modeled differently for surface atoms and non-surface atoms. The magnetocrystalline aniso-tropy of non-surface atoms is described by using local anisotropy axes depending on the fluctuations of the neighboring atoms. Subsequently, thermal fluctuations arising from the motion of the atoms in the magnetic system are explored. The specific formulation of the phonon dependent magnetic model leads to an implicitly coupled phonon-magnon system. The additional fluctuations arising from the varying positions of the atoms do not significantly change the magnetic behavior. In contrast, using a long-range exchange formulation yields a coercive field 20% smaller as compared to a standard next neighbor exchange model.

Zusammenfassung (Englisch)

In dieser Arbeit wird ein Simulationsprogramm entwickelt, das basierend auf der Theorie der Molekulardynamik die Bildung von magnetischen Nanoclustern beschreibt. Da Metalle nicht durch einen einfachen Paarpotential-Ansatz beschrieben werden können, wird die Embedded-Atom-Methode verwendet, um den spezifischen Eigenschaften der zu untersuchenden Materialien Rechnung zu tragen. Zusammen mit einem Legierungsmodell von Johnson ermöglicht die Embedded-Atom-Methode Untersuchungen an Systemen, die aus verschiedensten Materialien zusammengesetzt sind. In der Simulation wird die Temperatur durch ein Nosé-Hoover Thermostat kontrolliert. Um das entwickelte Simulationswerkzeug zu testen, werden Kenngrößen wie beispielsweise die Gleichgewichtsgitterkonstante oder der thermische Ausdehnungskoeffizient für verschiedenste publizierte Potentiale berechnet. Weiters wird eine experimentell bestätigte Schalen-Kern-Formation simuliert. Die Berechnung des Anlassvorgangs ergibt eine klar definierte Segregation der Ag-Atome an die Oberfläche. Die Kristallebenen des Kerns weisen keine einheitliche Stapelfolge auf. Um die Kristallstruktur des Kerns zu bestimmen, wird ein automatisches Analysewerkzeug entwickelt. Unter den verwendeten Systemparametern weisen CoAg Kern-Schalen Formationen eine Mischung aus hexagonal dichtester Packung und flächenzentriert kubischer Struktur auf.

Verglichen mit den magnetischen Eigenschaften eines Festkörpers zeigen Nanopartikel signifikante Unterschiede. Das Verhältnis zwischen Atomen an der Oberfläche und im Inneren dieser Partikel beeinflußt die magnetischen Eigenschaften maßgeblich. Zusätzlich bestimmt die Morphologie der Partikel die effektive magnetokristalline Anisotropie.

Die Facetierung von Partikeln, welche aus wenigen tausend Atomen bestehen, hängt von der Systemgröße ab und hat ihre direkte Ursache in der Minimierung der Oberflächenenergie. Diese Eigenschaft magnetischer Cluster wird in einem magnetischen Modell berücksichtigt. Eine langreichweitige Formulierung der Austauschenergie beschreibt die Abweichung der Austauschenergie von Atomen nahe der Oberfläche.

Oberflächenatome besitzen weniger Nachbarn als Nichtoberflächenatome, deshalb weisen oberflächennahe Atome eine geringere Austauschenergie auf. Für die magnetokristalline Anisotropie von Oberflächenatomen und Nichtoberflächenatomen werden verschiedene Modelle verwendet. Die magnetokristalline Anisotropie von Nichtoberflächenatomen wird durch lokale Anisotropieachsen beschrieben. Diese Anisotropierichtungen sind von den Fluktuation der Nachbaratome abhängig. Der Einfluss der thermischen Fluktuationen aufgrund der Bewegungen der Atome wird untersucht. Die spezifische Formulierung des phononenabhängigen magnetischen Modells führt auf ein implizit gekoppeltes Phononen-Magnonen-System. Eine Berücksichtigung der zusätzlichen Fluktuationen aufgrund der variierenden Atompositionen bewirkt nur eine geringe Änderung der magnetischen Eigenschaften. Im Gegensatz dazu führt die Verwendung einer langreichweitigen Formulierung der Austauschenergie auf ein Koerzitivfeld, das um 20% kleiner ist als bei einem vergleichbaren Modell mit kurzreichweitiger Austauschenergieformulierung.