Computational design of functional Fe-X (X=Cu, Co, Mn) coatings and nanoclusters for environmentally sustainable applications

Το ενδιαφέρον για τους φιλικά προς το περιβάλλον και βιώσιμα Fe-X (X = Cu, Co, Mn) νανοσυσσωματώματα και επικαλύψεις αυξάνεται σήμερα λόγω των πιθανών ανώτερων μαγνητικών ιδιοτήτων τους που μπορούν να οδηγήσουν σε εφαρμογές σε πολλαπλά πεδία όπως η κατάλυση και η παράδοση φαρμάκων. Σε αυτή τη διατριβή, πραγματοποιήσαμε υπολογισμούς συναρτησιακού πυκνότητας φορτίου προκειμένου να μελετήσουμε τα νανοσυσσωματώματα Fe-X (X = Cu, Co, Mn) με στόχο την εύρεση των βέλτιστων ρυθμίσεων και μεγεθών συστάδων που εμφανίζουν την υψηλότερη μαγνητική ροπή (MM). Επιλέγουμε υποκατάσταση Cu καθώς είναι ένα κλασικό μη μαγνητικό στοιχείο, ενώ τα γνωστά μαγνητικά στοιχεία Co και Mn εμφανίζουν σύζευξη Ferromagnetic (FM) και Antiferromagnetic (AFM) με Fe αντίστοιχα. Για αυτούς τους λόγους, διερευνούμε διάφορα μεγέθη συστάδων λαμβάνοντας υπόψη διάφορες συνθέσεις και ατομικέςδιαμορφώσεις που αναλύουν την ηλεκτρονική πυκνότητα καταστάσεων (EDOS), τις κυματοσυναρτήσεις (WF) και τον πληθυσμό των ηλεκτρονίων. Διαπιστώσαμε ότι τα νανοσυσσωματώματα FeCu εμφανίζουν το υψηλότερο τοπικό MM Fe όταν το Fe βρίσκεται σε περιοχές επιφανείας του συμπλέγματος με τον μικρότερο αριθμό γειτόνων Cu που δεν συμβάλλουν στις μαγνητικές ιδιότητες του συστήματος. Αντίθετα, τα νανοσυσσωματώματα FeCo εμφανίζουν σύζευξη FM με άτομα Co και Fe και αποδίδουν τον υψηλότερο μέσο όρο συστάδων MM, ενώ το τοπικό MM Fe είναι ίσο με τα περιστατικά FeCu. Τα νανοσυσσωματώματα FeMn δείχνουν μια μέση συστάδα MM κοντά στο μηδέν, μιμείται τη συνολική μέση τάση MM του FeCu λόγω της ζεύξης Mn-Mn AFM. Η ηλεκτρονική πυκνότητα καταστάσεων συστάδων 13- και 55 ατόμων εμφανίζει διακριτές και εντοπισμένες καταστάσεις, με αποτέλεσμα μισό μεταλλικό χαρακτήρα. Συγκεκριμένα, οι συστάδες FeCu εμφανίζουν μια πλήρως καταλαμβανόμενη ηλεκτρονική πυκνότητα Spin-up Fe 3dκαταστάσεων που αποδίδουν κυματοσυνδέσεις με ομοιογενή κατανομή φορτίου. Αντίθετα, το Spin-down είναι σχεδόν άδειο και εμφανίζει ανασταλτικές καταστάσεις σύνδεσης κοντά στηνκατάσταση homo. Οι συστάδες FeCo ή FeMn χαρακτηρίζονται από ηλεκτρονικές καταστάσεις Fe 3d που υβριδοποιούνται έντονα με το Co ή το Mn 3d τόσο για την περιστροφή όσο και για την περιστροφή των EDOS. Επιπλέον, τα μεγαλύτερα νανοσυσσωματώματα (147 και 309 ατόμων) δείχνουν μια συμπεριφορά που μοιάζει με εκείνη των επιστρώσεων και μεταλλικά χαρακτηριστικά. Σε όλες τις περιπτώσεις, τα νανοσυσσωματώματα εμφανίζουν υψηλότερο MM από τα λεπτά υμένια Feπου συγκλίνουν πάνω από 120 άτομα. Συμπερασματικά, τα νανοσυσσωματώματα FM Fe-Co ή οι επιστρώσεις Fe στο Co / Cu (111) προτείνονται ως ο καλύτερος υποψήφιος για συστήματα βασισμένα σε Fe με ισοδύναμο συνολικό και τοπικό Fe MM σε σύγκριση με τα αντίστοιχα συστήματα Fe-Cu και Fe-Mn. Πιστεύουμε ότι αυτά τα αποτελέσματα μπορούν να συμβάλουν στις μελλοντικές εξελίξεις στο σχεδιασμό Fe-X (X = Cu, Co, Mn) περιβαλλοντικά βιώσιμων έξυπνων μαγνητικών συστάδων ή επιχρισμάτων.