Расчет энергетических и структурных характеристик монослойной плёнки со с учетом влияния ориентации поверхностной грани Текст научной статьи по специальности «Физика»

ФИЗИКА

Вестн. Ом. ун-та. 2016. № 3. С. 26-30. УДК 539.612

М.В. Мамонова, М.О. Стогова

РАСЧЕТ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ И СТРУКТУРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МОНОСЛОЙНОЙ ПЛЁНКИ СО С УЧЕТОМ ВЛИЯНИЯ ОРИЕНТАЦИИ

__к*

ПОВЕРХНОСТНОЙ ГРАНИ*

В данной работе, в рамках модели описания адсорбции вариационным методом функционала спиновой плотности, исследовано поведение энергии адсорбции и пространственного распределения намагниченности для монослойной плёнки кобальта на подложках из ^ и Pt с учетом ориентации поверхностной грани и температуры.

Ключевые слова: активированная адсорбция, магнитные ультратонкие пленки.

Исследование ультратонких магнитных систем и их энергетических свойств является актуальной проблемой как с точки зрения фундаментальных основ магнетизма [1], так и с прикладной точки зрения применения в микроэлектронике [2]. Экспериментальные данные показывают [3], что на границе пленок ферромагнитного и благородного (как правило, Р^ Аи) металлов можно создать искусственную анизотропию типа «легкая ось». Также магнитным и структурным свойствам тонких пленок кобальта на подложках из платины и меди посвящен ряд работ [4-5]. К настоящему времени, одна из основных задач исследований связана с выявлением условий получения ферромагнитных пленок с наименьшей возможной толщиной и наиболее идеальной межфазной границей раздела пленка-подложка, что позволит получать многослойные магнитные наноструктуры с наибольшим значением магнитосопротивления. При активированной адсорбции металлов наблюдается перемешивание атомов пленки и подложки [6], при этом межфазная граница раздела размывается, что отрицательно сказывается на магнитных свойствах системы. Поэтому для практического применения важно предсказать в какой системе, при каких значениях параметра покрытия и температуры образуется стабильная непрерывная пленка.

Целью данной работы является исследование поведения энергии адсорбции и пространственного распределения намагниченности для моно-слойной плёнки кобальта на подложках из платины и меди с учетом ориентации поверхностной грани.

В данной работе, в рамках модели описания адсорбции вариационным методом функционала спиновой плотности [1], исследовано поведение энергетических и структурных характеристик монослойных плёнок Со на подложках из Си и № с учетом ориентации поверхностной грани и температуры.

Рассмотрим адсорбционную систему состоящую из полубесконечного металла, характеризующегося средней плотностью заряда ш, пленки ад-сорбата со средней плотностью заряда п3 и первым приповерхностным слоем со средней плотностью заряда п2. В пленке и приповерхностном слое подложки образуется смесь атомов адсорбата и субстрата, которая по своим свойствам напоминает бинарный сплав двух металлов. Для бинарного сплава, образующегося в пленке, можно ввести обозначение Ар Б1-р, где А - атомы адсорбата, а Б - атомы субстрата, индекс р характеризует относительную долю атомов адсорбата в сплаве. Аналогично, для припо-

* Работа поддержана грантом Российского научного фонда № 14-12-00562.

© МамоноваМ.В., Стогова М.О., 2016

верхностного слоя вводится обозначение Ар■ 5>1-р1 , где индекс р' характеризует относительную долю атомов адсорбата в данной области.

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

в = рц + р'ц', (1)

где параметры д и q', характеризуют степень заполнения атомами пленки и приповерхностного слоя соответственно.

Поверхностные концентрации п81 и п82 являются функциями параметра С2, задающего минимальное расстояние между атомами в приповерхностном слое, и зависят от симметрии грани подложки

)0= 1 /с?; = 1/c?V2; = 2/c?V3.

(2)

Энергия адсорбции находится из условия минимума по параметрам q и p удельной энергии адгезии, приходящейся на один адсорбированный атом:

Eads = Ea/ns = mm [(°(~) - °(0))/n? ]. (3)

p.q

Результаты исследований

На (рис. 1-4) приведены результаты расчета энергии адсорбции пленок кобальта на подложках из платины и меди в зависимости от параметра покрытия для трех ориентаций поверхностной грани для различных температур.

По данным, представленным на рис. 12, видно, что расстояние между парамагнитной и ферромагнитной фазой энергии ад-сорбций для плотноупакованной грани (111) больше чем для рыхлой (100). Так же стоит отметить, что для грани (100) значения энергий максимальны и лежат в диапазоне 5.5 > Eads > 0.5эВ/ат, для грани (111) энергия адсорбции принимает значения 4 > E ads > 0.5эВ/ат.

Рис. 1. Зависимость энергии адсорбции Eads эВ/ат

от параметра покрытия &на грани (100) для системы при различных температурах

Co/Cu (ill) —■—т=ок

-•—Т=100К

—А— Т=200К

—▼—Т=300К

—♦—Т=400К

—<-Т=500К

■

f

У <

0,4

1,0

Рис. 2. Зависимость энергии адсорбции Eads эВ/ат

от параметра покрытия &на грани (111) для системы при различных температурах

« Co/Pt (100)

•

■- т=ок •-Т=100К Т=200К

т- Т=300К

♦- Т=400К

ч- Т=500К

Рис. 3. Зависимость энергии адсорбции Eads эВ/ат

от параметра покрытия &на грани (100) для системы ^^ при различных температурах

Рис. 4. Зависимость энергии адсорбции Eads эВ/ат

от параметра покрытия &на грани (111) для системы ^^ при различных температурах

Для системы Со/РЬ как и для Со/Си разность между парамагнитной и ферромагнитной фазой для рыхлой грани меньше чем для плотноупакованной. Энергия системы Со/РЬ для соответствующих граней больше, чем у системы Со/ Си.

Из рис. 5 для Со/Си(100) видно, что при Т < Тс начиная со значения параметра покрытия © > 0.85 формируется монослойная пленка, при значениях © < 0.7 происходит сильное перемешивание атомов адсорбата и

п

110

п

п

субстрата, данное поведение системы соответствует поведению наблюдаемому экспериментально [3]. Для плотноупакованной грани монослойная пленка формируется при температурах, не превышающих критическую, начиная с параметра покрытия © > 0.9.

Рис. 5. Зависимость степени перемешивания pm¡n

от параметра покрытия &на грани (100) для системы при различных температурах

Рис. 6. Зависимость степени перемешивания pm¡n

от параметра покрытия &на грани (111) для системы при различных температурах

■-т=ок •-Т=100К Co/Pt (100)

i- Т=200К

т- Т=300К Т=400К '. у

М- Т=500К /

4 г _4—4

■ *—а—*—*— 1—т

0,4

1.0

Рис. 7. Зависимость степени перемешивания pm¡n

от параметра покрытия &на грани (100) для системы ^^ при различных температурах

0.5-

Co/Pt (111)

гГ* 7

• ■- T=0K

* \i \ •~T=100K T=200K

Я—Л—1 T- T=300K ♦- T=400K ■«- T=500K

Рис. 8. Зависимость степени перемешивания p,™

от параметра покрытия &на грани и (111) для системы Co/Pt при различных температурах

На графиках наглядно видно, что поведение систем для разных гранях аналогично, так для грани (100) при температурах меньших критической формируется монослойная пленка начиная со значения параметра покрытия © > 0.85. Для грани (111) формирование монослойной пленки происходит начиная со значения параметра покрытия © > 0.8 для температур T < 500K.

На (рис. 9-12) и (рис. 13-16) представлены распределения намагниченности для плотноупакованной (111) и рыхлой граней (100) для значений параметра покрытия в = 0,5; 0,7; 1,0 при температурах Т = 0К и Т = 300К соответственно.

1.0

подложка приповерх п nema -0=0.5

спой 0=0.7

• • • e»i

j п вакуум

Рис. 9. Пространственное распределение намагниченности при Т = 0K для граней (100) для системы

подложка прмповерх пленка -0=0.5

слои

0=0.7

Л • • - 0=1

] / ^^ вакуум

1.0 0.9 0.8 0.7 0,6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 •0.1

. подпоила прмповерх пленка -0=0.5

0=0.7

• • • 0=1

« вакуум

Рис. 10. Пространственное распределение намагниченности при Т = 0К для граней (111) для системы

1.0

подложка припоеерх. пленка -0=0.5

- 0=0.7

• • - 0=1

п

) J V

, вакуум

Рис. 13. Пространственное распределение намагниченности при Т = 300К для граней (100) для системы

1.0 0.9 0,8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0,1 0.0 -0.1

подложка приповерх. -0=0.5

слой

0=0.7

• • • 0=1

вакуум

Рис. 11. Пространственное распределение намагниченности при Т = 0K для граней (100) для системы ^^

1.0

гюдгюжса припоеерх. пленка -0=0.5

слой 0=0.7

• • • 0=1

J / ) V вакуум

Рис. 12. Пространственное распределение намагниченности при Т = 0K для граней (111) для системы ^^

Рис. 14. Пространственное распределение намагниченности при Т = 300К для граней и (111) для системы

0.8-

подложка припоеерх. пленка -9=0 5

слой

- 0=0.7

• - - - е=|

. вжуум

Рис. 15. Пространственное распределение намагниченности при Т = 300К для граней (100) для системы ^^

подложка припоеерх пленка -0=0.5

слой 0=0.7

- ... 0=|

- вакуум

•10 -5 О 5 10

г

Рис. 16. Пространственное распределение намагниченности при Т = 300К для граней (111) для системы ^^

Из (рис. 10) для Со/Си(111) видно, что при Т = 0 К максимум в распределении намагниченности приходится на пленку. Но для рыхлой грани (рис. 9) (100) из-за процессов перемешивания в данной системе для 6 = 0,5 и 6 = 0,7 наблюдается «размазывание» намагниченности по приповерхностным областям. Тем самым снижается максимум намагниченности, приходящийся на пленку.

Для Со/Щ111) (рис. 12) пик намагниченности приходится в облость пленки для значений параметров покрытия в = 1 и в = 0.7.

При более высокой температуре Т = 300 К (рис. 13-16) характер распределения при в>0,5 не меняется, только уменьшаются значения пиков намагниченности. При в = 0,5 критическая температура Тс = 243 К, поэтому температура становится выше критической, следовательно, намагниченность в системах отсутствует.

Выводы

В данной работе было проведено исследование энергетических и структурных характеристик, а так же пространственного распределения намагниченности для моно-слойной плёнки железа на подложках из серебра и золота с учетом ориентации поверхностной грани.

Проведенные расчеты показали, что в области больших значений параметра покрытия в пленка железа в ферромагнитной фазе обладает большей энергией адсорбции, чем в парамагнитной фазе. Это говорит о том, что образование ферромагнитной пленки на поверхности подложки значительно увеличивает энергию адсорбции по

сравнению с парамагнитной пленкой. График зависимости энергии адсорбции от параметра покрытия для плотноупакованной грани имеет минимум, зависящий от материала подложки. При малых значениях в энергия адсорбции для грани (100) почти в два раза больше, чем для грани (111).

При малых значениях параметра покрытия наблюдалась большая степень перемешивания атомов адсорбата и субстрата в приповерхностной области на грани (100), по сравнению с гранью (111).

По графику пространственного распределения намагниченности для системы Co/Pt можно заметить пик намагниченности в пленке при в = 1 и в = 0.7 для всех граней. График m(z) системы Co/Cu для грани (111) имеет пик намагниченности в пленке при всех исследуемых значениях T и в. Для рыхлой грани можно наблюдать пик в пленке при значениях в > 0,75.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Valet T., Fert A. Theory of the perpendicular magne-

toresistance in magnetic multilayers // Physical Review B. 1993. Vol. 48. № 10. P. 7100-7113.

[2] Lodder J.C., Monsma D.J., Vlutters R., Shi-matsu T.J. The spin-valve transistor: technologies and progress // J. Magn. Magn. Mater. 1999. Vol. 198-199. P. 119.

[3] Ney A.. A New Design of an UHV-High-Tc-SQUID Magnetometer: Absolute Determination of Magnetic Moments of 3d-Transition Metal Films. Homburg : dissertation.de, 2001. 128 p.

[4] Robach O., Quiros C., Steadman P. Magnetic ani-sotropy of ultrathin cobalt films on Pt(111)... investigated with x-ray diffraction: Effect of atomic mixing at the interface // Physical Review B. 2002. Vol. 65. P. 054423

[5] Lehnert A., Dennler S., Btonski P.. Magnetic ani-sotropy of Fe and Co ultrathin films deposited on Rh(111) and Pt( 111) substrates: An experimental and first-principles investigation // Physical Review

B. 2010. Vol. 82. P. 094409

[6] Scheffler M, Stampfl C. Theory of Adsorption on Metal Substrates. In: Handbook of Surface Science, v. 2 : Electronic Structure / Ed. K. Horn, M. Scheffler. Amsterdam: Elsevier. 2000. P. 286-356.

[7] Мамонова М. В., Прудников В. В., Климов С. П. Описание активированной адсорбции магнитных ионов на поверхности твердых тел с образованием ультратонких ферромагнитных пленок // Вестник Омского университета. 2010. № 4.

C. 52-56.

[8] 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.