Geum.ru
   Авторефераты по темам  >>  Разные специальности - [часть 1]  [часть 2]

Теоретическое исследование энергетических, структурных и магнитных свойств ультратонких ферромагнитных пленок

Автореферат кандидатской диссертации

 

На правах рукописи

Климов Сергей Петрович

Теоретическое исследование

энергетических, структурных и

магнитных свойств ультратонких

ферромагнитных пленок

01.04.02 - теоретическая физика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Омск Х 2012


Работаа выполненаа наа кафедреа теоретическойа физикиа ФГБОУа ВПО Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского


Научный руководитель:


кандидат физико-математических наук, доцент Мамонова Марина Владимировна;



Официальные оппоненты:

Ведущая организация:


Аплеснин Сергей Степанович доктор физико-математических наук, профессор, Сибирский государственный аэрокосмический университет им. М.Ф. Решетнева, зав. кафедрой физики

Созаев Виктор Адыгеевич доктор физико-математических наук, профессор, Северо-Кавказский горнометаллургический институт (государственный технологический университет), зав. кафедрой физики

Институтаа физикиаа им.аа Х.И.аа Амирханова ДагН - РАН, г. Махачкала


Защита состоится л11 апреля 2012 г. в 14:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.179.04 при ФГБОУ ВПО Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского по адресу: 644077, г. Омск, пр. Мира, 55а.

Са диссертациейа можноа ознакомитьсяа ва библиотекеа Омского государственного университета.

Автореферат разослан л_^_ марта 2012 г.


Ученый секретарь диссертационного совета, Д 212.179.04,аа кандидат физ. -мат. наук


Вершинин ГА.


Общая характеристика работы

Актуальность темы

Исследование ультратонких магнитных систем, интенсивно осуществляемое с 1980-х годов, привело к открытию целого ряда новых явлений, важных как с точки зрения развития фундаментальных основ магнетизма, так и приложений в микроэлектронике. Явления гигантского и туннельного магнитосопротивления, туннельного магнитного перехода стали основой для изобретения считывающих головок для жестких дисков, ячеек магниторезистивнои магнитной записи (MRAM), магнитных записывающих устройств высокой плотности.

Дальнейшееаа развитие современнойаа микроэлектроники

характеризуется переходом к наномаштабам. При этом роль поверхности, межфазного взаимодействия разнородных материалов вдоль границы раздела во влиянии на физические свойства элементов малых размеров становятся значительными и зачастую определяющими. Поэтому особый интерес представляет изучение свойств ультратонких пленок, образующихся на поверхности различных материалов в результате напыления или адсорбционных процессов.

Значительные достижения в технологии получения различных материалов и покрытий и появление новых точных методов кристаллографического анализа свойств поверхности позволяют в настоящее время получать высокого качества ультратонкие пленки и мультислойные покрытия на основе магнитных переходных металлов Fe, Со, Ni и детально изучать их свойства [1, 2]. Исследование природы магнетизма в таких структурах имеет большой фундаментальный интерес из-за возникающей в них размерной зависимости для магнитных характеристик, которые демонстрируют переход от характерных объемных значений для пленок с толщиной в несколько десятков монослоев (d > 10 нм) к двумерным поверхностным значениям в пленках с толщиной меньшей 5-7 монослоев (d < 1-2 нм) [3, 4].

Магнитные пленки обладают рядом уникальных особенностей, способствующих повышению плотности записи информации и быстродействия запоминающих устройств. Однако ряд требований, предъявляемых к запоминающим устройствам: надежность и длительность хранения информации, малое время доступа, низкая относительная стоимость на единицу информации, высокая плотность и скорость записи, - накладывают вполне определенные требования к структурным и магнитным характеристикам магнитных пленок. Получать такие пленки можно только зная механизмы формирования их свойств.

Цель работы

Х Развитие методики теоретического описания процесса адсорбции и расчета энергетических, структурных и магнитных свойств ультратонких

3


ферромагнитных пленок на основе метода функционала спиновой плотности с учетом эффектов магнитного упорядочения и пространственного распределения намагниченности в приповерхностной области.

Х Исследование влияния магнитного упорядочения на характеристики адсорбции на примере монослойных пленок переходных металлов Fe, Со и Ni при их осаждении на немагнитных подложках W, Си, Ag и Au, а также выявление условий реализации различных поверхностных структур при учете температурно стимулированных процессов перемешивания атомов адсорбата и подложки.

Научная новизна результатов

  1. Впервые осуществлено теоретическое описание влияния эффектов ферромагнитного упорядочения на заместительную (активированную) адсорбцию магнитных ионов переходных металлов на немагнитной металлической подложке с образованием ультратонкой ферромагнитной пленки.
  2. Впервые показано, что учет пространственного распределения намагниченности в приповерхностной области оказывает существенное влияние на реализацию различных поверхностных структур и величину энергии адсорбции.
  3. Впервые в рамках функционала спиновой плотности проведены численные расчеты энергетических, структурных и магнитных характеристик для различных композитов из переходных металлов Fe, Со, Ni на плотноупакованных гранях немагнитных подложек из Си, Ag, Аи и W.

Научная и практическая значимость работы

Область применения результатов проведенных исследований: магнитоэлектроника, спинтроника, физика поверхностных явлений и магнитных фазовых переходов.

Практическая значимость работы определяется возможностью использования разработанной методики для самосогласованных расчетов энергетических, структурных и магнитных характеристик для ультратонких пленок на металлических поверхностях.

Полученные в диссертации новые результаты позволяют понять влияние поверхности на магнетизм ультратонких пленок и влияния магнитных эффектов на характеристики адсорбционных процессов при образовании данных пленок, а также предсказать типы возможных поверхностных структур, возникающих при адсорбции переходных металлов на немагнитных подложках.

Выявленные условия реализации процессов перемешивания магнитных ионов адсорбата с ионами немагнитной подложки позволяют характеризовать качество межфазной границы раздела, что существенно

4


может сказатьсяа на величине коэффициента магнитосопротивления в мультислойных магнитных структурах на основе данных материалов.

Основные положения, выносимые на защиту

  1. Разработанная методика теоретического описания процесса адсорбции и расчета энергетических, структурных и магнитных свойств ультратонких ферромагнитных пленок переходных металлов (Fe, Со, Ni) на немагнитных подложках (Си, W, Ag, Аи) с учетом эффектов перемешивания атомов адсорбата и подложки на основе метода функционала спиновой плотности.
  2. Введение неоднородного пространственного распределения намагниченности системы, параметры которого, как и параметры распределенияа электронной плотности, определяются самосо гласо ван но.
  3. Применение для описания температурной зависимости намагниченности в приповерхностной области приближения молекулярного поля, а также двухмерной модели Изинга и XY-модели, учитывающих эффекты анизотропии ультротонкой ферромагнитной пленки.
  4. Обнаруженное существенное влияние на величину энергии адсорбции эффектов спонтанного намагничивания в пленках из ферромагнитных материалов. Предсказываемоеа изменение энергетических характеристик существенно зависит от соответствия параметров структур и поверхностных энергий наносимого магнитного материала и материала подложки.
  5. Зависимость пространственного распределения намагниченности в приповерхностном слое и образования различных типов поверхностных структур от соответствия поверхностных энергий и параметров кристаллической решетки у материала подложки и материала пленки.

ичный вклад диссертанта заключается в непосредственном участии на всех этапах научно-исследовательской работы по теме диссертации: в постановке задач научного исследования, теоретическом описании явления, проведении аналитической и вычислительной работы на ПЭВМ, анализе и обсуждении результатов расчета. Все вошедшие в диссертацию оригинальные результаты получены автором.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы представлялись и обсуждались на Московском Международном Симпозиуме по Магнетизму MISM-2011 (Москва), на 2-й международной конференции по мультимедиа технологиям ICMT2011 (Ханчжоу, Китай), на научном семинаре по вычислительной физике организованном ИКИ РАН и ИТФ РАН им. /андау (Таруса, 2011), на XXXIV и XXXV региональной научно-практической студенческой конференции Молодежь III тысячелетия (Омск, 2010 и

5


2011гг.),а на научных семинарах кафедры теоретической физики ОмГУ им. Ф.М.Достоевского.

Публикации

Список публикаций автора по теме диссертационной работы включает 11 статей и тезисов докладов, опубликованных в российских журналах, сборниках трудов и материалах конференций.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Объем диссертации - 105 страниц машинописного текста, в том числе 41 рисунок, 2 таблицы и список цитируемой литературы из 109 наименований.

Краткое содержание работы

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертационной работы. Сформулирована цель работы и показаны ее научная новизна и практическая ценность.

В первой главе дан обзор существующих представлений о магнитных свойствах ультратонких пленок и их практическом применении. Представлены типы моделей, описывающих ферромагнитное упорядочение в пленках, и существующие теоретические подходы к описанию поверхностных явлений.

Во второй главе в рамках метода функционала спиновой плотности описана методика самосогласованного расчета энергии адсорбции атомов переходных металлов на немагнитных металлических поверхностях с учетом эффектов ферромагнитного упорядочения и пространственного распределения намагниченности. Проанализированы результаты компьютерных расчетов энергетических и магнитных характеристик монослойных пленок, возникающих при реализации неактивированной адсорбции ионов переходных металлов (Fe, Со, Ni) на немагнитной подложке (Си, Ag, Аи и W).

Адсорбционная система задавалась в следующем виде: полубесконечный металл со средней плотностью заряда пи занимающий область z < - D. Пленка адсорбата с плотностью заряда п2 и толщиной hзанимает область D< z< D+ h. Между пленкой и подложкой вводится вакуумный зазор шириной 2D. Данная конфигурация системы определяет одномерную функциональную зависимость электронной плотности n(z).

Для реализации вариационного метода пробная функция, задающая распределение электронной плотности в системе, находилась в виде решения линеаризованного уравнения Томаса-Ферми с учетом граничных условий:

6


ni\-0,5e<i{z+D,]+0,5n2e<i{z-D,\\-e4ih\ 0,5и1е-"(*+с,+ 0,5и2е"(*-с,Г-е-"*1, n2\l-0,5e'i{z-D-h]]


z<-D z\<D

D<z<D+h z>D+h


В дальнейшем параметр /? считался вариационным и определялся из минимума функционала свободной энергии.

При рассмотрении магнитоупорядоченного состояния в металлах в рамках модели коллективизированных электронов учитывается перераспределение электронов по одночастичным состояниям за счет влияния возникающего внутреннего магнитного поля обменной природы. При этом, электронные плотности квазичастиц со спином "вверх" n+(z) и со спином "вниз" п (z) могут быть выражены через относительную намагниченность т (Т) = М(Т) IМ(Т = 0) следующим образом:

n+lXz) = n{zY-^-аа (2)

Межфазная энергия взаимодействия подложки с пленкой, приходящуюся на единицу площади контакта, определяется, как интеграл по z от объемной плотности свободной энергии основного состояния электронного газа:


a0=^[f[n(z,p)\-f[nQ(z)\}dz


(3)


где n0(z) - положительный заряд фона. В рамках модели желе объемная плотность свободной энергии неоднородного электронного газа f[n(z)] может быть представлена в виде градиентного разложения [5]:

f[n(z)]=w0[n(z)}+w2[n(z), \Vn(z)\2}+w4[n(z), \Vn(z)f}-T(sid+sm) (4)


[n(z)\ =

где

естьаа плотностьаа энергииаа однородногоаа электронногоаа газ ваа атомных единицах.

Составляющие объемной плотности свободной энергии неоднородного электронного газа имеют следующий вид:

кинетическая энергия электронной системы:

wim=0;3(6Tr2)2/3k/3(z)+Д-(z)l+4f^V

w^+wcul+wex + wcor

n+{z) ! n_(z)

гF+ E F-

(6)

(7)

z)

(8)

^сы,=0,5 (p{z)n{z)

кулоновская энергия: обменная энергия:

nnzlclа \1/3аа 4131 \ Iаа 4/3

wex =Ч0,75 (6/тг) \п+аа [z)+n_

корреляционная энергия:

7


1/3а /аа N

n,аа n(z)

1/3 /аа N

= -0,056

-0,056

(9)

0,079+w'/3(z)

п.аа n+(z) 0,079 +nllHz)

Энтропийные вклады в свободную энергию, учитывающие, соответственно, температурные изменения в энтропии для электронного газа и эффекты магнитного упорядочения в электронной подсистеме:

nAz) n(z)

(10)

2 _ТС , 2 гр


s=kr


ln4-(l+7w)ln(l-


1 Ч m) In (1 Ч m)


(11)


Т.к. для ультратонких адсорбционных структур в приповерхностной области являются существенными эффекты неоднородности электронного газа, то был осуществлен учет градиентных поправок:


[(z),|V|2]= X ^^+^ck|V|:


(12)


где первое слагаемое Ч поправка на неоднородность электронного газа для кинетической энергии (формула Вайцзеккера-Киржница), a w2,xc Ч поправка для обменной и корреляционной энергии в приближении Вашишты-Сингви:

Iаа /а ч ,V7аа |2|_(и)Д2(и)|Уи|2

^2,ХСПН'\У Щаа \=а 0з/4а 5/3 4/3

(13)


где (и) = 0.4666 + 0.3725к;


5(и)=-0.0085 + 0.3318ку (и)


кР=(Зп п+

Ч фермиевский волновой вектор. Как показано в работе [5] с целью улучшения количественного согласия значений поверхностной и межфазной энергий для переходных металлов было учтено влияние на поверхностные характеристики градиентных поправок четвертого порядка к плотности кинетической энергии:


.ЗЗбп

)=Х

у2п\а 9VVivл

Д. 540(3тт2п)213

п Iа о п \аа п и к плотности обменно-корреляционной энергии:


WIV| 3


(14)



(z)=а Zаа 1-98-10 5ехр(-0,2986п


У2п


(15)


Учет дискретности в распределении ионов [5] позволяет записать полную межфазную энергию системы в виде:

о-=о-0+о-и.+о-йа (16)

где ст0 Ч вклад от электронной системы в рамках модели "желе", стД Ч поправка к энергии электростатического взаимодействия ионов , сте, Ч поправк каа энергии,аа связаннаяаа саа разностьюаа ваа электростатическом

8


взаимодействии электронов с дискретными ионами и однородным фоном "желе".

В соответствии с методом функционала плотности величина вариационного параметра В в пробной функции (1) находится из требования минимальности полной межфазной энергии системы:

Итогом решения данной вариационной задачи является полная межфазная энергия системы ст(6тп(0), D). Через изменение межфазной энергии определяется энергия адгезии покрытия как работа, которую необходимо совершить для удаления пленки от подложки на бесконечность:

Ee(2D)=o-(oo)-o-(2D) (18)

Энергия адгезии используется для расчета энергии адсорбции системы, которой соответствует работа, необходимая для удаления адсорбированной частицы с поверхности подложки, т.е. удельная энергия адгезии, приходящаяся на один адсорбированный атом:

Eads(e)=EJn:=(aH-a(2D))lns2 \ D=0аа (19)

где поверхностная концентрация адсорбированных атомов ns2 является функцией параметров сг и с2, характеризующими расстояния между ближайшими ионами контактирующих материалов. Поверхностная концентрация ns2является также функцией параметра покрытия в, определяющим степень заполнения атомами адсорбата поверхности подложки:

e=njnsl(20)

где ns1характеризует поверхностную концентрацию атомов подложки.

В настоящей работе предполагается, что адатомы, располагаясь на субстрате, повторяют симметрию его поверхностной грани. В этом случае параметр заполнения в можно выразить через параметры си и с2,:

Q=c\lc\а (21)

Поверхностные концентрации ns1и ns2также являются функциями параметров сг, и с2 и зависят от симметрии грани подложки, на которой происходит адсорбция.

В данной работе предполагается, что критическая температура магнитного упорядочения моноатомной пленки зависит от параметра покрытия в, т.е. Тс(5>(в), и отличается от критической температуры магнетика в объеме ТС(Ь>. Оценка Тс(5>(в) в приближении молекулярного поля может быть осуществлена следующим образом:

7

T(s)r^ дт(Ь)а surfаа О'))

^ bulk

9


где Zsurf- число ближайших соседей в ферромагнитной пленке, a Zbuikж в объемном ферромагнетике. При этом в качестве критической температуры магнитного упорядочения объемного ферромагнетика ТС(Ь> предлагается воспользоваться его экспериментальным значением.

Экспериментальные исследования ультратонких магнитных пленок с толщинами N<4-6 монослоев показывают, что их намагниченность демонстрирует температурную зависимость с ярко выраженным низкоразмерным характером и, в частности, для систем Fe/Ag(111), Ni/W(110) и Fe/W(110) описывается двумерной моделью Изинга, а для систем Co/Cu(111), Ni/Cu(100) и Fe/Au(111) - двумерной XY моделью. Поэтому для описания температурной зависимости относительной намагниченности т(Т) в изинговского типа системах мы будем использовать онсагеровское точное решение:

2J

,(Т)=

(23)

кБТ

\-sh~


 


котороеаа саа учетомаа значенияаа критическойаа температурыаа Тс=2,269ЛкБ

\-sh~

(соответствует монослойным пленкам соотношения (23) может быть записано:

2Т

м

,(Т) =

2,269 Г

\-sh~


(Ь)

с параметром покрытияа в=1)а и

(24)

_2 аа "Z-mrfвТ

Т

2,269 Zu


относительной

Для описания температурной зависимости намагниченности т(Т) в системах, описываемых двумерной XY моделью, применялось выражение:


[т.ву


Tf(0)-T

T[s>(e)


(25)


Основываясь на результатах первопринципных расчетов [5], можно неоднородное пространственное распределение намагниченности в приповерхностном слое считать пропорциональным вкладу в электронную плотность от магнитных атомов адсорбата. Поэтому на основе пространственного распределения для электронной плотности (1) получено следующее распределение для намагниченности:


J(z-D),

0,5 me w|l-0,5e"

-lih

-е

D)

-D-h)

(26)

0,5meа \eаа -

z<D

-0,5ep^""""'J, D<z<D+h

жlj,аа z>D+h

Данноеа распределениеа характеризуется необходимым

экспоненциальным спаданием намагниченности при удалении от поверхности как в область вакуума, так и вглубь немагнитной подложки. Наа основеа даннойа методикиа былиа осуществленыа расчеты энергетических и магнитных характеристик монослойных пленок Fe, Со и Ni на немагнитных подложках изаа материалов W, Си, Ag, Аи.

10


Рассматривался случай с отсутствием зазора между пленкой и подложкой (D=0) и фиксированной толщиной пленки (h=d2=const), задаваемой объемным значением межплоскостного расстояния d2для адсорбируемого металла. Исследование проводилось при значениях параметр покрытияаа ваа ваа интервалеаа 0,4<6<1аа н плотноупакованных

поверхностных гранях подложек.

Eads> ?В/ат

Eads > ?В/ат

0,4 0,5аа 0,6 0,7аа 0,8аа 0,9аа 1 Qа 0,4а 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

Рис. 1аа Зависимость энергии адсорбции от параметра покрытия в для систем (а)

Fe/W(110) и (б) Ni/Cu(111)

На рис. 1а представлены результаты рассчета зависимости энергии адсорбции от параметра покрытия в атомов Fe на плотноупакованной грани W(110) для различных температур в приближении модели Изинга.

Из рисунка видно, что эффекты ферромагнитного упорядочения наиболее сильно сказываются и приводят к увеличению энергии адсорбции в области высоких концентраций адатомов в > 0,65 для всех исследуемых температур. Однако при малых значениях параметра покрытия в < 0,65 наблюдается обратная ситуация: а именно, ферромагнитное состояние пленки при Т=0 обладает наименьшим значением энергии адсорбции, с ростом температуры стремящимся к значениям энергии адсорбции в парамагнитной фазе.

При этом разность между полностью упорядоченным ферромагнитным (т=1) и парамагнитным состояниями (т=0, Т>ТС) становится максимальной при полном повторении пленкой структуры подложки (в=1) и достигает значения A^ds~ 0,9 эВ/атом.

Особенностью системы Fe/W(110) является то, что как железо, так и вольфрам кристаллизуются в виде ОЦК структуры, поэтому, даже с учетом подстраивания под подложку, адсорбированные пленки железа не подвергаются значительной структурной перестройке.

Еще одним примером композита, где и пленка и подложка обладают одинаковым типом кристаллической симметрии, является случай адсорбции Ni на Си(111), обладающие ГЦК-структурой. На рис. 16 представлены результаты расчета энергетических характеристик в приближении двумерной XYмодели для Ni/Cu(111).

Также как и для случая Fe/W(110), пленка в ферромагнитном состоянии обладает большей энергией адсорбции чем в парамагнитной фазе в области больших значений параметра покрытия, но максимальная разница достигает при 9=1 значения AE^ds- 0,5 эВ/атом. Кроме того точка, в которой положение графиков энергии адсорбции двух различных фаз меняется на противоположное, сместилась к значению в = 0,45.

Общим свойством графиков энергии адсорбции для систем, в которых совпадают кристаллические структуры объемных материалов пленки и подложки, является также уменьшение значений энергетических характеристик адсорбции с ростом параметра покрытия в.

Совершенно иным представляется случай образования моноатомной пленки переходного металла на поверхности подложки, обладающей отличающейся кристаллической симметрией, например при осаждения атомов Fe на плотноупакованные грани Ад(111) и Аи(111), результаты расчета энергетических характеристик которых приведены на рис. 2.

Рис. 2а Зависимость энергии адсорбции от параметра покрытия в для систем (а) Fe/Ag(111) и (б) Fe/Au(111)

В представленных системах ОЦК-структура пленки Fe подвергается значительной перестройке под ГЦК- структуру подложки. Это отражается в заметном увеличении значения энергии адсорбции пленки в ферромагнитной фазе (т = 1) по сравнению с парамагнитной (Т > Тс) на всем интервале в. И разница между ними достигает при 0=1 значительных величин: AEads = 1,8 эВ/атом при осаждении на Аи, и AEads * 2,1 эВ/атом - на Ag.

Т.о. эффекты ферромагнитного упорядочения при адсорбции разнородных материалов приводят к более существенному увеличению энергии адсорбции и смене характера изменения энергии адсорбции, с убывания на рост по мере увеличения параметра покрытия 0.

12


В третьей главе диссертации введено описание заместительной адсорбции атомов переходных металлов на немагнитных металлических подложках и проведено исследование изменений в энергетических, структурных и магнитных свойствах покрытий, связанных с эффектами перемешивания атомов адсорбата и подложки.

металл

приповерх. слой

1а п

2

A Sаа ,

раа 1-р

зазор

пленка п

3

A S

ра 1-р

вакуум

z

Ва результате

процессов взаимного

перемешивания ато-мов

адсорбата и субстрата,

характер-ныхаа для

-D-I

-D О D

D+h

активиро-ванной адсорбции, поверхность подло-жки подвергается различныма реконструкциям.


Рис. 4 Распределения поверхностных слоев при активированной адсорбции.

Наиболее значительную реконструкцию испытывает первый приповерхностный слой подложки. Поэтому этот слой выделен в отдельную область со средней плотностью заряда п2 и толщиной / : - D- / < z < - D(рис. 4).В пленке и приповерхностном слое подложки образуется смесь атомов адсорбата и субстрата, которая по своим свойствам напоминает бинарный сплав двух металлов. Так, для бинарного сплава, образующегося в пленке, можно ввести обозначение ApSup, где символом А обозначены атомы адсорбата, а символом S -атомы субстрата, индекс р характеризует относительную долю атомов адсорбата в сплаве. Аналогично, для приповерхностного слоя вводится обозначение -4PS,.P, где индекс р' характеризуетотносительную долю атомов адсорбата в данной области.

Заряд ионов 1\л радиус обрезания гс псевдопотенциала Ашкрофта для бинарного сплава определялись по формулам:

(27) субстрата.

pZa(racfHl-p)Zs(rsc

Z=pZa+(\-

pZa+(l-p)Z"

где индекс а характеризует параметры адсорбата, индекс s Электронную плотность пленки можно представить в виде:

n3(e,p) = Z3nJh(28)

где Z3 определяется выражением (31), ns3 - поверхностная концентрация атомов в пленке, h- толщина пленки, определяемая выражением

h=pda+{l-p)cf(29)

13


где d", ds - расстояния между наиболее плотноупакованными плоскостями в кристаллах адсорбата и субстрата. Аналогичные формулы использовались и для описания бинарного сплава в приповерхностном слое подложки:

n2(e,p) = Z2nJl(30)

l=p'da+{l-p')ds(31)

где Z2 определяется выражением (31), ns2 - поверхностная концентрация атомов в приповерхностном слое подложки, р - относительная доля атомов адсорбата в слое, / - толщина слоя перемешивания.

Предполагая равномерное распределение адатомов в приповерхностном слое подложки с повторением ее симметрии, параметр заполнения в можно выразить через параметры бинарных растворов р и р':

6 = pq+p'q'а (32)

где параметры qи q', характеризующие степень заполнения атомами пленки и приповерхностного слоя соответственно, определяются выражениями:

4=njnsl, q'=njnsl(33)

Параметры в, qи q' связаны друг с другом соотношением:

9 = q+q'+l(34)

Параметры с2 и с3, задающие минимальные расстояния между атомами в приповерхностном слое и в пленке, определяются через параметр с1; характеризующим расстояние между атомами не реконструированной подложки, следующими соотношениями:

с2=с1л/(р, съ=сх~^1(35)

При этом поверхностная концентрация атомов адсорбата, находящихся, в общем случае, и в пленке, и в приповерхностном слое:

П"=Р'П*2 + РП*3(36)

Неоднородное пространственное распределение намагниченности, пропорциональное электронной плотности определялось по формуле:

к5тг^+вУ-\ 1+0,5 щч?[-в)\\-ё-*\аа z<-D-l

т2\\-0,5^+о)-0,5е-^+о+,)]+0,5т^ОЬ-е-"Ча -D-l<z<-D

т(2) = ^5т2е-^+о)\\-е-"']+0,5т^-о)\\-е-№1а -D<z<D(37)

0,5m2^l<iz+D)\l-e-l,']+mi\l-0,5e-l,iz-D)-0,5eliz-D-h)\аа D<z<D+h

Q,5m^-^+D]\\-e-^]+Q,5m^^DVh-\\ z>D+h

где введены обозначения т2=т(Т,в)р' и т3=т(Т,в)р для относительных вкладов магнитных ионов адсорбата в намагниченность приповерхностного слоя и пленки, соответственно. Значение намагниченности т(Т,в) рассчитывается в приближении двумерной модели Изинга или двумерной XY-модели.

14


Для выявления устойчивого состояния в случае заместительной адсорбции необходимо при фиксированных Т и 0, кроме минимизации по В производить минимизацию межфазной энергии, приходящейся на один атом пленки (o/ns3) по параметрам р и д. Следовательно, схему минимизации можно записать в таком виде:

mincr(fi, Т ,6

mm

p,q

= 0

(38)

пАр,о)

Итогом решения данной вариационной задачи является полная межфазная энергия системы o(Bmin,pmin,qmin). Зная ее легко найти энергию адгезии как работу, которую надо совершить для удаления подложки и пленки на бесконечность друг от друга:

гa(2D) = cr(a))-(T(2D) (39)

Энергия адгезии для данной модели является, главным образом, промежуточной величиной и используется для расчета энергии адсорбции, которая определяется как энергия адгезии, приходящаяся на один адсорбированный атом:

ЕаЬ(в)=Еа1па=(аЫ-а(2В))1паа \ D=0(40)

На рис.5 представлены графики вычисленной зависимости значений энергии адсорбции Eadsи равновесного параметра pminсостава пленки от параметра покрытия в для системы Fe/W(110) в приближении модели Изинга.


 

а

гп'= 1а а'

Т-200К --G--

5,5

Fe/W(110)

Т = 300Каа О Т = 400К ---В-

5

Ч ^

V4*

т>тс -^-. .

4,5

.а \

"

4

"

35

^

*^

э-

-n'^!a>Tft" ~А

^-^

"-е--е--и

3

ж-йХ>

""&-.,

2,5

в"- 6- -И>аа "


0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9а 1 0аа 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9а 1 0

Рис. 5 Зависимость энергии адсорбции Eads (а) и доли адатомов в пленке р (б) от параметра покрытия в для системы Fe/W(110), модель Изинга.

Из рисунка 5а наглядно видно, что учет эффектов ферромагнитного упорядочения вносит существенный вклад в изменение энергии адсорбции. Энергия адсорбции в полностью упорядоченной ферромагнитной фазе (т=1, 7=0 К) значительно больше энергии адсорбции парамагнитной фазы (т=0, Т>ТС). При этом разница достигает AEads= 1 эВ/атом при параметре покрытия 6=1.

Анализ зависимости структурного параметра р, задающего долю атомоваа адсорбат ваа пленке,аа отаа параметр покрытияаа ваа (рис.аа 56)

15

показывает, что с увеличением в для всех исследуемых температур одинаково растет доля магнитных атомов в пленке, достигая предельного значения р=1 при 6=1. При этом доля атомов адсорбата, осевших в приповерхностный слой субстрата, остается незначительной (р'<0.05), т.е. в системе Fe/W(110) наблюдается очень слабая степень перемешивания атомов адсорбата и подложки.

Данную особенность можно объяснить, если учесть существенно отличающиеся поверхностные энергии исследуемых металлов: aFe(nor 2170330 мДж/м2, own юг 2800280 мДж/м2 [5].

Рис. 6 Зависимость энергии адсорбции Eadsи доли адатомов в пленке р от параметра покрытия в для системы Ni/Cu(111), XY модель.

Поэтому адсорбированные на подложке из вольфрама атомы железа даже при учете процессов перемешивания, чему способствует их меньший ионный радиус, будут стремиться выйти на поверхность с образованием устойчивого покрытия - пленки, обладающей наименьшей поверхностной энергией.

Аналогичное поведение наблюдается при адсорбции атомов Ni на Си(111), результаты расчета энергетических и структурных характеристик которой представлены на рис. 6. Кристаллические решетки Ni и Си характеризуются ГЦК структурой; межатомные и межплоскостные расстояния близки по значениям; поверхностные энергии для плотноупакованных граней можно считать совпадающими в пределах погрешности их измерения: aNl(111)= 1820180 мДж/м2, Осипни 175090 мДж/м2 [5]. В результате, термостимулированные процессы перемешивания ионов никеля и меди переходят при в > 0,9 в образование монослойной пленки никеля на поверхности меди (рис. 66)

Основываясь на полученных данных о распределении магнитных атомов в системе, было рассчитано равновесное пространственное распределение намагниченности m(z) в композитах Fe/W(110) и Ni/Cu(111) для различных температур при параметрах покрытия 0=0,5; 0,7; 1,0 (рис. 7 и 8):

16


m(z), Fe/W, T=100K

 

-аа 6=0,5 .........

/^

а

6=1,0 -------

\~"\

I,

И

1

Подложка

Приповерх.аа Iljслойа l;i

Пленка

аа Вакуум


m(z), Ni/Cu, T=100K


Рис. 7 Пространственное распределение намагниченности в системе Fe/W(110) и Ni/Cu(111)

Наблюдаемые пики намагниченности в области пленки отражают тот факт, что основная масса атомов переходных металлов не осаждается в подложку, а остается на поверхности, формируя моноатомную ферромагнитную пленку.

На рис. 9 и 10 приведены результаты расчетов для систем Fe/Ag и Fe/Au.


гads, эВ/ат

5 4,5

4 3,5

3 2,5

2

е

Рис. 9 Зависимость энергии адсорбции Eadsи доли адатомов в пленке р от параметра покрытия в для системы Fe/Ag(111), модель Изинга.

гads, эВ/ата р

а

m'= 1а а'

T = 200К - -О--аа .

Fe/Ag(111)

Т = 300Ка О Т = 400Каа -И-

х

т>тс ж-<>ж- -

%

"

^ч

чЖХ

^0

-.й--

^sJ^-O-............ ъ

.-жХж

-.. *" .* -

^В*.-

-f;

0,7

0,5

0,6

0,8

0,9


1

0,8

т = 1а Ч?Ч

Т = 200К Чжй--

"аа Т = 300Каа О

Т = 400К --И-

т>тс ж-<>ж-

б

Fe/Ag(111)

0,6

-

0,4

-

0,2 0

НС

0,7

0,6

0,8

0,9



Fe/Au(111)

т = 1 ж Т = 200К ж Т = 300К ж Т = 400К ж

Т>ТГ ж


...-О-Ч-6---0


0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9а 1 qа 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9а 1

Рис. 10 Зависимость энергии адсорбции Ead5и доли адатомов в пленке р от параметра покрытия в для системы Fe/Au(111), XY модель

17


В представленных композитах кристаллическая симметрия пленки и подложки различается, поэтому ОЦК-структура пленки Fe подвергается значительной перестройке на ГЦК-подложках Ад и Аи. По сравнению со случаем, когда структуры пленки и подложки совпадали, в системах Fe/Ag(111) и Fe/Au(111) энергии адсорбции в ферромагнитной фазе остается больше чем для парамагнитной фазы. Однако разница между двумя фазами значительно увеличилась: при 6=1 составляет ~2эВ/атом для Fe/Ag(111) и ~1.5эВ/атом для Fe/Au(111). При этом, начиная с в = 0,75-0,8 наблюдается заметное увеличение Eadsс ростом в .

Кроме того, характер поведения графиков р(в) имеет особенности для каждой рассмотренной температуры. На рис. 96 для системы Fe/Ag(111) наблюдается очень большая степень перемешивания атомов адсорбата и субстрата в приповерхностной области. При этом атомы Ag из подложки активно вытесняются в область пленки атомати Fe, что приводит к образованию т.н. сэндвич-сруктур при значениях в>0.8. Это объясняется тем, что стремление к минимизации общей поверхностной энергии для данной системы возможно при формировании на поверхности тонкой пленки Ag и полном осаждении атомов Fe под этот слой.

В зависимости равновесной доли адатомов р от параметра покрытия в для системы Fe/Au(111) (рис. 106) можно выделить график ферромагнитной фазы (т=1), который также показывает реализацию монослоя на поверхности, и график парамагнитной фазы (Т>ТС), для которого характерно очень сильное перемешивание при любом значении параметра в. Например, для 0=1 реализуется структуры типа л/[з)хл/[з) . Для графиков р(в) при других температурах сначала реализуются структуры как у парамагнитной фазы, а при появлении намагниченности становятся энергетически более выгодным образование монослоя.

Похожее поведение демонстрирует и система Со/Си(111) (рис. 11).

Рис. 11 Зависимость энергии адсорбции Eads и параметра р от параметра покрытия в для

системы Co/Cu(111)

18

гads, эВ/атаа Р


График энергии адсорбции ферромагнитной фазы располагается выше всех остальных. Причем превышает энергию адсорбции парамагнитного состояния в 1,5 раза при 6=1, что в абсолютном значении составляет ~2эВ/атом. На основе полученных данных о распределении магнитных атомов адсорбата в композите были получены графики пространственного распределения намагниченности в системах Fe/Ag(111) (рис. 12), Fe/Au(111) (рис. 13), Со/Си(111) (рис. 14).


 

m

m(z), Fe/Ag,T=100K

1

- к=0,5 ......... а!

а -

\

8=1 ;о-------

0,8

/а \

-

0,6

// \\

.

0,4

1

.

Подложка j /

1аа '

Приповерх.

слой

Пленка

Вакуум

0,2 0

J

V--


m(z), Fe/Ag,T = 300K

-аа 8=0,5 .........

1 /а *'* 1

Га ^

Приповерх.

\ Пленка

б-

Вакуум

8=1,0 -------

Подложка

J


Рис.12 Пространственное распределение намагниченности в системе Fe/Ag(111)

m(z), Fe/Au, Т = 100Ка m(z), Fe/Au, Т = 300К


 

-аа 8=0,5 .........

^

а -

8=1,0 -------

1 """""Д

// \\

|

I

и

1

Подложка

Приповерх.аа //

Пленка

|а Вакуум

_2J

vl


 

1

-аа 8=0,5 .........

б"

е= !оаа

0,8

"

0,6

"

0,4

||а ..а '"

|

Подложка

| / Приповерх. /

I

Пленк В

Вакуум

0,2

1

0

-'*''''

V


Рис. 13 Пространственное распределение намагниченности в системе Fe/Au(111)


m(z), Со/Си, Т = 200К


m(z), Co/Cu, T = 230K


Рис. 14 Пространственное распределение намагниченности в системе Со/ Си(111)

19


Из рисунков видно, что структурные изменения в приповерхностной области коррелируют с рассчитанными изменениями в пространственном распределении намагниченности m(z) для различных значений параметра покрытия 6.

Так, для Fe/Ag(111) видно, что из-за особенностей процессов

перемешивания в данной системе и образования в ней "сандвич"-

структуры максимум в распределении намагниченности приходится как

раз на переходной приповерхностный слой с малым значением

намагниченности в пленке серебра, образующей на поверхности. В то же

время, для Fe/Au(111) максимум в распределении намагниченности

приходится на пленку из ионов железа, образующуюся на поверхности

подложки из золота. Для системы Со/Си(111) для температуры Т=100К

эффекты ферромагнитного упорядочения приводят к образованию

ферромагнитной пленки из ионов кобальта на поверхности медной

подложки и, как следствие, пик намагниченности приходится на пленку.

А при температуре Т=230К для 6=0,5 максимум в распределении

относительной намагниченностиаа приходится н первый

приповерхностный слой, в то время как для 6=0,7 и 6=1,0 положение максимума смещается в пленку.

Основные результаты и выводы

  1. Разработана методика, позволяющая рассчитать энергетические, магнитные и структурные характеристики пленок переходных металлов (Fe, Со, Ni) на немагнитных подложках (Си, W, Ag, Аи) с учетом эффектов перемешивания атомов адсорбата и подложки.
  2. Впервые введено неоднородное пространственное распределение намагниченности системы, параметры которой, как и параметры распределения электронной плотности определяются самосо гласо ван но.
  3. Для описания температурной зависимости намагниченности в приповерхностной области использованы приближения молекулярного поля, а также двухмерной модели Изинга и XY-модели, учитывающих эффекты анизотропии ультротонкой ферромагнитной пленки. Рассчитанные зависимости энергии адсорбции от параметра покрытия 6 при использовании анизотропных двумерных моделей характеризуются более резким выходом на значения, соответствующие состояниям магнитного насыщения в пленке, по сравнению с приближением молекулярного ПОЛЯ.
  4. Учет эффектов ферромагнитного упорядочения в приповерхностной области приводит к понижению энергии системы и оказывает существенное влияние на величину энергии адсорбции, увеличивая ее. Изменение энергетических характеристик зависит от соотношения структурных поверхностных энергий (в случае учета процессов перемешивания)аа иа соответствияа структурныха параметрова материалов

20


адсорбата и подложки. Так, для адсорбционных систем с совпадающими кристаллическими решетками объемных материалов (Fe/W и Ni/Cu) изменение энергии адсорбции AEads(6) за счет эффектов магнитного упорядочения, как правило, в 2-3 раза меньше, чем AEadsдля систем с различающимися кристаллическими решетками (Fe/Ag(111) и Fe/Au(111)).

  1. Процессы замещения изменяют характер зависимости энергии адсорбции от параметра покрытия в. Так, в случае неактивированной адсорбции для систем Fe/Ag и Fe/Au, Eads(9) возрастает с ростом параметра в во всей рассмотренной области его изменения, в то время как при активированной адсорбции Eads(9) имеет минимум при в 0,8.
  2. Осуществлен расчет зависимости структурного параметра р(0), задающего долю магнитных атомов в пленке, анализ которой позволяет предсказать формирование различных поверхностных структур при заместительной адсорбции. Показано, что для систем Fe/W и Ni/Cu наблюдается очень слабая степень перемешивания, приводящая при в>0,9 к образованию монослойной пленки на поверхности подложки. Для систем с различающимися кристаллическими решетками (Fe/Ag, Fe/Au) формирование различных поверхностных структур связано с конкурирующими процессами: теплового перемешивания ионов адсорбата и ионов подложки в области малых в и влиянием эффектов магнитного упорядочения, возрастающего с ростом в и понижением температуры. При в>0,8 определяющим фактором образования типа поверхностной структуры становится разница в значениях поверхностных энергий материалов Аа. Так, для системы Fe/Ag с наибольшей Аа, энергетически выгоднее становится образование поверхностной "сандвич"-структуры; для систем Fe/Au и Со/Си с наименьшей Аа энергетически выгоднее становится ионам железа образовывать ферромагнитную пленку на поверхности подложки. Отметим, что эффекты перемешивания магнитных ионов и ионов подложки приводят к "размытию" межфазной границы раздела и при практических приложениях ультратонких магнитных пленок к уменьшению коэффициента магнитосопротивления в мультислойных структурах .
  3. Проведен расчет пространственного распределения относительной намагниченности m(z) для различных адсорбционных структур. Показано, что эффекты перемешивания приводят к смещению пиков m(z) в область с наибольшей концентрацией адатомов. Для систем Fe/W и Ni/Cu относительная намагниченность максимальна в пленке, для Fe/Ag максимум в распределении намагниченности приходится на переходной приповерхностный слой. Для систем Fe/Au и Со/Си конкуренция процессов теплового перемешивания и магнитного упорядочения приводит к сложной зависимости пространственного распределения m(z) от изменения температуры и параметра покрытия в.

21


Результаты диссертации опубликованы в работах

  1. Прудников В.В., Мамонова М.В., Климов СП., Морозов Н.С. Теоретическое описание активированной адсорбции магнитных ионов на парамагнитных металлических поверхностях // Вестник Омского университета. - 2008. - № 4. - с. 24-29.
  2. Прудников В.В., Мамонова М.В., Климов СП., Морозов Н.С. Исследование влияния эффектов заместительной адсорбции магнитных ионов на процесс образования субмонослоиных ферромагнитных пленок на металлических поверхностях // Вестник Омского университета. - 2009. - № 2. - с. 77-83.
  3. Мамонова М.В., Прудников В.В., Климов СП., Морозов Н.С. Влияние эффектов заместительной адсорбции магнитных ионов на процесс образования субмонослоиных ферромагнитных пленок на металлических поверхностях // Сб. трудов Всероссийской конф. "Современные проблемы термодинамики и теплофизики", 2009, Новосибирск, с. 149-150.
  4. Мамонова М.В., Ващенко Г.И., Климов СП. Исследование влияния эффектов теплового расширения на активированную адсорбцию магнитных ионов Fe, Со и Ni на поверхности Си(110) // Вестник Омского университета. -2010. - №2. с. 42-47.
  5. Мамонова М.В., Прудников В.В., Климов СП. Описание активированной адсорбции магнитных ионов на поверхности твердых тел с образованием ультратонких ферромагнитных пленок // Вестник Омского университета. -2010. - №4. -с. 52-56.
  6. Климов С. Исследование влияния эффектов заместительной адсорбции магнитных ионов на процесс образования субмонослоиных ферромагнитных пленок на металлических поверхностях // XXXIV региональная научно-практическая студенческая конференция: сборник статей секции "Физико-математические науки" май 2010, Омск. с.96-98.
  7. Мамонова М.В., Пилипенко Д.В., Климов СП. Исследование неактивированной адсорбции пленок ферромагнитных сплавов // Вестник Омского университета. - 2011. - № 4. - с. 75-79.
  8. Климов С. Исследование заместительной адсорбции магнитных ионов на металлических поверхностях с образованием субмонослоиных ферромагнитных пленок // XXXV региональная научно-практическая студенческая конференция: сборник статей секции "Физико-математические науки" май 2011, Омск. с. 73-77
  9. Mamonova M.V., Mamonov A.V., Klimov S.P., Prudnikov V.V. Adsorption of Transition Metal Ions on Metal Surfaces with the Formation of Submonolayer Ferromagnetic Films. // Proceeding of the 2nd International Conference on Multimedia Technology (ICMT2011) July 2011, Hangzhou, China, V. 3 , p. 1950-1953.

10. Klimov S., Mamonova M., Prudnikov V. Description of suInstitutional

adsorption of magnetic ions on metallic surfaces with formation of monolayer

ferromagnetic films using Spin-Density Functional Method // Book of Abstracts,

22


Moscow International Symposium on Magnetizm (MISM-2011) august 2011, Moscow, p. 451 -452.

11. Прудников В.В., Мамонова М.В., Климов СП. Теоретическое описание процессов образования монослоиных ферромагнитных пленок в рамках метода функционала спиновой плотности // Сборник трудов Семинара по вычислительным технологиям в естественных науках. Вычислительная физика. - Под ред. P.P. Назирова, /1.Н. Щура. - М.: Изд-во "Ротапринт ИКИ РАН", 2012. - С. 214 - 246. [Труды ИКИ РАН. Серия "Механика, управление и информатика". Вып. 6.].

Список цитируемой литературы

[1] Gu Е., Hope S., Tselepi М., et.al. Two-dimensional paramagnetic-ferromagnetic phase transition and magnetic anisotropy in Co(110) epitaxial nanoparticle arrays // Phys.Rev. B. - 1999. - V.60. - P.4092-4095. [2] Bihlmayer G., Ferriani P., Baud S., Lezaic M., Heinze S., Blugel S. Ultra-thin magnetic films and magnetic nanostructures on surfaces. // NIC Symposium. 2006. V. 32. P. 151.

[3] Vaz C.A.F., Bland J.A.C., Lauhoff G. Magnetism in ultrathin film structures // Reports on Progress in Physics. - 2008. - V. 71. - P.056501-056578. [4]а Scheffler M.,а Stampfl С Theory of adsorption on metal substrates.а In: Handbook of Surface Science,а V.2:а Electronic structureа /а Ed.а K.аа Horn,а M. Scheffler. Amsterdam: Elsevier. - 2000. - P.286-356.

[5] Мамонова M.B., Прудников В.В., Прудникова И.А. Физика поверхности. Теоретические модели и экспериментальные методы. М: Физматлит. - 2011. - 400 с.

23

     Авторефераты по темам  >>  Разные специальности - [часть 1]  [часть 2]