Исследование неактивированной адсорбции пленок ферромагнитных сплавов

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Физика


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

ФИЗИКА
Вестн. Ом. ун-та. 2011. № 4. С. 75−79.
УДК 539. 612
М. В. Мамонова, Д. В. Пилипенко, С.П. Климов
ИССЛЕДОВАНИЕ НЕАКТИВИРОВАННОЙ АДСОРБЦИИ ПЛЕНОК ФЕРРОМАГНИТНЫХ СПЛАВОВ
В рамках метода функционала спиновой плотности осуществлено исследование влияния температурных эффектов магнитного упорядочения на энергетические характеристики образуемых при адсорбции ультратонких пленок из сплавов переходных металлов железа, никеля и кобальта на «рыхлой» грани медной поверхности. Выявлены условия реализации устойчивого покрытия в зависимости от параметра покрытия и состава сплава.
Ключевые слова: адсорбция, ультратонкие магнитные пленки, метод спиновой плотности, металличекие сплавы.
Физика поверхности и межфазного взаимодействия разнородных материалов и покрытий относится к числу наиболее актуальных направлений современной физики. Востребованность исследований в данном направлении определяется проблемами технологии нанесения тонких, мономолекулярных пленок при получении активных элементов микроэлектроники. Особый практический интерес, в связи с уникальными магнитными свойствами, вызывает ферромагнитный сплав никеля с железом, так называемый пермаллой, что приводит к необходимости исследования свойств тонких пленок таких сплавов, определения условий их образования.
Применение сплавов расширяет возможности изменения физических свойств материалов за счет изменения их атомарного состава (сродни влиянию легирования на свойства полупроводников).
Методика расчета энергетических характеристик неактивированной адсорбции ферромагнитных пленок, основанная на использовании метода функционала спиновой плотности с учетом температурных эффектов, хорошо зарекомендовала себя при описании адсорбции магнитных атомов чистых переходных металлов на немагнитной подложке [1- 2].
В настоящей работе ставится задача распространить данную методику на случай двукомпонентных сплавов на базе представлений о бинарных системах, в частности для пленок ферромагнитных сплавов из Fe, Co, Ni на «рыхлой» грани медной поверхности Cu[110].
Модельная система представляет собой пленку толщиной h, адсорбируемую на плоской металлической поверхности. Энергия адсорбции вычисляется как разность межфазной энергии, приходящейся на один адатом, при удалении пленки на бесконечность и на конечном расстоянии D.
При изучении влияния ферромагнитного упорядочения на величину энергии адсорбции было рассмотрено четыре модельных варианта:
1. Случай с отсутствием зазора между подложкой и пленкой (D = 0) и фиксированной толщиной пленки (h = d2 = const), задаваемой объемным значением межплоскостного расстояния d.2 для адсорбируемого металла. Данный подход является классическим в теории адсорбции.
О М. В. Мамонова, Д. В. Пилипенко, С. П. Климов, 2011
2. Случай с фиксированной толщиной пленки (h = d2 = const), но равновесным зазором D = Dmin. Dmm находится из минимума полной межфазной энергии o (Pmin, Dmin). Это позволяет определять равновесные состояния системы при заданном заполнении поверхности адатомами. Нами был также осуществлен учет релаксации толщины пленки h, задаваемой в виде
h = d 2 +у,
где у — вариационный параметр, характеризующий релаксацию толщины пленки и определяемый из минимума полной межфазной энергии. Это позволяет выделить еще два случая:
3. Случай с отсутствием зазора между подложкой и пленкой (D = 0), но равно-вес-ной толщиной пленки h = hmin при известном значении вариационного параметра Ymin.
4. Случай с равновесным зазором
и равновесной толщиной пленки
D = Dm
h = hmln. Их значения находятся из минимума полной межфазной энергии о (Ртт,
Утт, Dmin). Данный подход позволяет предсказывать образование устойчивых покрытий или указывать на их отсутствие.
Межфазная энергия системы в рамках модели «желе» была представлена в виде градиентного разложения по плотности электронного распределения в системе п (г). Учитывались температурные изменения в свободной энергии неоднородного электронного газа и эффекты магнитного упорядочения в электронной подсистеме через относительную намагниченность т, вычисляемую в приближении молекулярного поля [3]. Учет влияния дискретности кристаллической решетки проводился с использованием псевдопотенциала Ашкрофта, что привело к функциональной зависимости от зарядов ионов и параметров геометрической структуры кристаллической решетки. В случае двукомпонентных сплавов в соответствии с законом Вегарда для твердых растворов замещения следующие величины получили зависимость от концентрации компонентов в сплаве пленки:
Расстояние между ближайшими соседями:
d = x • dl + (1 — x) • d2. (1)
Радиус обрезания псевдопотенциала Ашкрофта:
Зарядовое число:
Z = x • Z1 + (1 — x) • Z2 (3)
Для температуры Кюри двухкомпонентной системы мы запишем такое же соотношение:
Тс = Х • Тс1 + (1 — х) • Tc2 (4)
Однако, как было показано в работе [4], данная зависимость имеет более сложный характер и в дальнейших работах предполагается использовать экспериментальные значения для температры Кюри сплавов при различных фазовых составах.
Поверхностная концетрация адатомов является функцией параметра ©, определяющего степень заполнения адатомами поверхности подложки. Степень заполнения © адатомами поверхности подложки задается таким образом, чтобы при © = 1 число адатомов равнялось числу атомов на поверхностной грани подложки.
При расчетах были использованы следующие исходные параметры:
Me Tc (0=1) s rc d n
Fe 521 1,11 0,95 3,82 0,0503
Ni 209 0,30 1,27 2,35 0,0135
Co 464 0,86 0,92 4,07 0,0536
Гс =
Х • Z1 • (Г1с)3 + (1 — х) • Z2 • (Г2с)
x • Z1 + (1 — x) • Z 2
з Y
(2)
Здесь — значения эффективных спинов магнитных ионов Бе, Со и N1 в объемных металлах, но в области малых 0 = 0,2з0,4 и низких температур более предпочтительными для расчетов являются значения спинов для изолированных ионов с Spe = 2,95, SCo = 2,4, SNi = 1,6. Температура ферромагнитного фазового перехода в пленках может быть вычислена следующим образом:
^ ((c)) = ®Тсу-, (5)
2ЪиШ
где ъшг]- - число ближайших соседей в ферромагнитной пленке, а хЪиШ — в объемном ферромагнетике. Значение критической температуры магнитного упорядочения объемного ферромагнетика Гсу взято из эксперимента.
В рамках четырех модельных случаев были рассчитаны значения энергии адсорбции для системы Си[110]№ехЖ1_х в зависимости от температуры и концентраций компонент сплавов.
Как видно из рис. 1, 2, энергия адсорбции пленок сплавов больше, чем для чистых материалов для больших значений
0, и меньше, чем для чистых материалов при малых 0.
T=0K
& gt-3,5
ш
3,0
2,5
2,0
1,5
0,5
T=200K
0,0
0,2
0,4 X 0,6
0,8
1,0
Рис. 1. Энергии адсорбции для 1 модельного случая для Си[110]ГвхМ11 при больших 0, при, Т = 0,200К
T=200K
1 0=0. 2
2 0=0. 3
3 0=0. 4
4 0=0. 5
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Рис. 2. Энергии адсорбции для 1 модельного случая для Си[110]ГвхМ11-х при малых 0, при Т = 0,200к
Такое поведение сохраняется и для второго модельного случая, но с ростом температуры монослои при малых 0 не реализуются.
Из рис. 3 можно заметить, что увеличение концентрации железа в монослое увеличивает энергию адсорбции системы и дает большее число возможных реализаций системы. Повышенная концентрация железа сильно увеличивает значения параметра Dmin для каждого 0.
На рис. 4, 5 представлена зависимость энергии адсорбции и равновесной толщины пленки от параметра покрытия при различных значениях температуры, меньших критической, для концентрации железа x = 0,2 и x = 0,8.
Представленные зависимости позволяют сделать следующие выводы:
1. Число реализующихся состояний растет с ростом температуры системы-
2. Состояния с большими значениями параметра 0 не реализуются-
3. С ростом концентрации железа в сплаве пленки число реализующихся состояний уменьшается-
4. Для любой температуры, в области малых 0, при достижении некоторой концентрации компонентов Х, параметр Ьшт резко возрастает.
В приведенной ниже таблице представлены данные, полученные в четвертом модельном случае.
x Eads Dmin hmin
0 3,56 0,1 15,49
0,1 3,76 0,1 16,13
0,2 3,901 0,1 16,68
Эти значения получены при Т = 100 и значении параметра покрытия 0 = 0,8.
6
5
4
3
2
X
12
10
0,2
Рис. 3. Энергии адсорбции и значения Dmin для 2 модельного случая для Cu[110]FexNi1-x при Т = 200К.
X=0. 2
X=0. 2
0,4
0,6
(c)
0,8
1,0
0,2
0,4
0,6
(c)
1,0
Рис. 4. Значения Eads и hmin/d для 3 модельного случая для Cu[110]FexNi1-x при X = 0,2
0,2
0,4
0,6
(c)
0,2
0,4
0,6
(c)
Рис. б. Значения Eads и hmin/d для 3 модельного случая для Cu[110]FexNi1-x при X = 0,8
Таким образом, тонкая пленка сплава показывают, что энергия адсорбции
железа с никелем практически не образует- пленки FexCoi-x на меди не отличается от
ся на «рыхлой» грани медной поверхности. свойств пленок чистых металлов.
Так же в работе моделировалось по- Это обусловлено близкими электрон-
ведение пленки Cu[11G]FexCoi-x. Резуль- ными свойствами этих двух металлов.
таты рачетов для всех модельных случаев
7
8
6
4
2
0
0,
0
Рис. 6. Зависимость Eads для 3 модельного случая для Cu[110]FexCo1-x от концентрации железа при различных параметрах покрытия
Анализ результатов исследований позволяет сделать следующие выводы.
Вычисление равновесной величины зазора между подложкой и пленкой позволяет определить условие образования устойчивого монослойного покрытия.
Адсорбционные свойства пленки РехСог-х на меди практически не отличаются от свойств чистых пленок, что обусловлено близкими электронными свойствами этих двух металлов.
Моноатомные пленки РехМ1г-х не реализуются в области малых 0 & lt- 0,5 при температурах Т & gt- 100К. Увеличение концентрации железа увеличивает и энергию
адсорбции системы, и интервал изменения параметра покрытия 0.
Исследование равновесной толщины пленок FexNii-x при нулевом зазоре приводит к обратному поведению системы. Устойчивое покрытие реализуется лишь при малых параметрах покрытия. Увеличение температуры при малых концентрациях железа приводит к образованию устойчивой моноатомной пленки в более широком интервале изменения параметра покрытия 0. Увеличение концентрации железа уменьшает этот интервал.
Такое поведение системы во втором и третьем модельном случае привело к очень ограниченному числу возможных случаев реализации системы при равновесных толщине и зазоре одновременно.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Мамонова М. В., Морозов Н. С., Прудников В. В. Теоретическое описание адсорбции ионов переходных металлов на металлических поверхностях с образованием субмонослой-ных ферромагнитных пленок // Вестн. Ом. унта. 2009. № 2. С. 63−70.
[2] Вакилов А. Н., Мамонова М. В., Матвеев А. В., Прудников В. В. Теоретические модели и методы в физике поверхности. Омск: Изд-во ОмГУ, 2005. 212 с.
[3] Вонсовский С. В. Магнетизм. М.: Наука, 1971.
[4] Schumann F. O.,. Wu S. Z, Mankey G. J, Willis R. F. Grouth and magnetic properties of CoxNi1-x and FexNi1- ultrathin films on Cu[100] // Phys. Rev. 1997. Vol. 56. № 5 P 2668−2675.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой