CC BY
17
ФИЗИКА PHYSICS
УДК 539.2
йй! 10.25513/1812-3996.2018.23(2).67-72
РАСЧЕТ ЭНЕРГИИ АДСОРБЦИИ МОНОСЛОЙНОЙ ПЛЕНКИ СПЛАВА Fe И Ni НА ПЛОТНОУПАКОВАННЫХ ГРАНЯХ Cu И W В ЗАВИСИМОСТИ ОТ КОНЦЕНТРАЦИИ КОМПОНЕНТОВ СПЛАВА
М. В. Мамонова1, И. А. Прудникова2
1Омский государственный университет им. Ф. М. Достоевского, г. Омск, Россия 2Омский государственный аграрный университет им. П. А. Столыпина, г. Омск, Россия
Информация о статье
Дата поступления 19.03.2018
Дата принятия в печать 29.03.2018
Аннотация. В рамках модели описания адсорбции вариационным методом функционала спиновой плотности исследовано поведение энергии адсорбции для системы РехЫ11-х/Си[111] и FexWt;L-x/Щ110] в зависимости от концентрации компонент сплава и параметра покрытия. Учтены температурные эффекты перемешивания атомов ад-сорбата и субстрата и неоднородное распределение намагниченности.
Дата онлайн-размещения 25.06.2018
Ключевые слова
Активированная адсорбция, ультратонкие магнитные пленки
CALCULATION OF ADSORPTION ENERGY OF Fe AND Ni ALLOY MONOLAYER FILM ON CLOSE-PACKED W AND Cu SURFACES IN DEPEND ON ALLOY COMPONENT CONCENTRATION
M. V. Mamonova1, I. A. Prudnikova2
1Dostoevsky Omsk State University, Russia, Omsk
2Omsk State Agrarian University n. a. P. A. Stolypin, Russia, Omsk
Article info
Received 19.03.2018
Accepted 29.03.2018
Abstract. In this paper, the adsorption energy for the systems FexNi1-x/[111] and FexNi1-x /W[110] is calculated by the variational method of the spin-density functional, depending on the concentration of the alloy components and the coating parameter. The temperature effects of mixing of adsorbate and substrate atoms and the inhomogeneous distribution of magnetization are taken into account.
Available online 25.06.2018
Keywords
Activated adsorption, ultrathin magnetic films
Данная статья посвящена теоретическому исследованию с использованием вариационного метода функционала спиновой плотности проблемы
влияния температурных эффектов перемешивания атомов адсорбата и субстрата на адсорбционные свойства ультратонких пленок переходных метал- 67
лов [1-3]. Важное практическое применение находят не только пленки чистых металлов, но и их сплавы, в частности пермаллой (сплав Ре и Ш), который получил широкое применение для радиовычислительной техники. Тонкопленочные системы на основе магнитомягких пермаллоевых FeNi пленок, широко применяются в магнитных и биологических сенсорах, основанных на эффекте магнитного импеданса [4]. Магнитные свойства и удельное сопротивление сплава сильно зависят от его состава. Легкое намагничивание этого сплава в слабых полях обусловлено практическим отсутствием у него магнитной анизотропии и явления магнитострикции. Вследствие слабой анизотропии облегчается поворот магнитных моментов из направления легкого намагничивания в направление поля, а благодаря отсутствию магнитострикции при намагничивании не возникает механических напряжений, затрудняющих смещение доменных границ под действием слабого поля. Различают две основные группы пермаллоев: низконикелевые (40-50 % типичный представитель — перменорм) и высоконикелевые (70-83 % N0. Магнитные проницаемости высоконикелевых пермаллоев в несколько раз выше, чем у низконикелевых, и намного превосходят проницаемости электротехнических сталей. Классический пермаллой - это тот сплав, концентрация никеля в котором составляет около 75 % никеля. Такой классический пермаллой обладает самыми высокими магнитными свойствами. Исследованию свойств таких сплавов посвящены как экспериментальные [5], так и расчетные работы [6].
В настоящей работе была применена методика расчета энергетических характеристик активированной адсорбции ферромагнитных пленок [1-3], основанная на использовании метода функционала спиновой плотности с учетом температурных эффектов на случай двукомпонентных сплавов на базе представлений о бинарных системах. Следующие характеристики ионной структуры: радиус обрезания псевдопотенциала, валентность и межплоскостное расстояние - получили зависимость от концентрации компонентов в сплаве пленки:
xZArlc)3 + (1 - x)Z2(rJ
1/3
х^ + (1 - х)12 г=х+ (1 - х)л2 д = хд + (1 - х^2. Индексы 1, 2 нумеруют компоненты сплава.
(1)
Экспериментальные исследования [1] показали, что температурная зависимость намагниченности пленки железа на подложке из ^(111) может быть описана двумерной моделью Изинга, в то время как пленки на подложке из W(110) будут отражать поведение двумерной XY модели.
Критическая температура магнитного упорядочения моно^ойной пленки РехМь-х зависит как от концентрации железа X так, и от параметра покрытия в:
Тс(в) = в[хТсре(в = 1)+ (1- х)Тст(в = 1)]. (2)
Для критической температуры пленок чистых металлов при в = 1 воспользуемся экспериментальными значениями Т^6 = 521К и ТЦ11 = 209К.
Для выявления устойчивого состояния системы в случае активированной адсорбции необходимо при фиксированных Т и в проводить минимизацию межфазной энергии, приходящейся на один атом пленки по параметрам р и р', характеризующим доли адатомов в пленке и подложке при перемешивании.
На рис. 1-6 представлены результаты расчета доли адатомов в пленке р от концентрации компонент сплава X при адсорбции на плотноупакованных гранях подложек С[111] и W[110] при Т = 0, 200, 600 К. Для системы РехМк-х/Си при Т = 0 К (рис. 1) доля адатомов в пленке растет с увеличением параметра покрытия в с формированием монослойной пленки без перемешивания при в = 1 для всех концентраций железа в сплаве.
Рис. 1. Зависимость доли адатомов в пленке р от концентрации компонент сплава X для системы FexNi1-x/Cu[111] при Т = 0 К
Увеличение температуры (рис. 2-3) приводит к сильному перемешиванию вплоть до полного выталкивания атомов верхнего слоя подложки на поверхность р = 0, сначала для малых параметров по-
крытия (в = 0,4 при Т = 200), а при Т = 600 К для всех в для концентраций железа в сплаве х > 0.
Рис. 2. Зависимость доли адатомов в пленке р
от концентрации компонент сплава X для системы FexNi1-x/Cu[111] при Т = 200 К
Рис. 3. Зависимость доли адатомов в пленке р
от концентрации компонент сплава X для системы FexNi1-x/Cu[111] при Т = 600 К
На подложке из вольфрама наблюдается другой характер перемешивания, обусловленный большей поверхностной энергией вольфрама. Так, при Т = 0 К (рис. 4) для чистой пленки никеля (х = 0) наблюдается почти равномерное перемешивание, затем доля адатомов в пленке растет с увеличением параметра покрытия в и концентрации железа в сплаве. Увеличение температуры (рис. 5-6), в отличие от адсорбции на медной положке, приводит к перемешиванию только для больших концентраций железа в сплаве. Так, в парамагнитной фазе (Т > Тс) при х < 0,5 образуется устойчивая моно-слойная пленка без перемешивания.
Рис. 4. Зависимость доли адатомов в пленке р от концентрации компонент сплава X для системы FexNi1-x /Щ110] при Т = 0 К
0,4 о,«
X
Рис. 5. Зависимость доли адатомов в пленке р
от концентрации компонент сплава X для системы РвхМ^-х /Щ110] при Т = 200 К
од о,е
х
Рис. 6. Зависимость доли адатомов в пл^ке р
от концентрации компонент сплава X для системы FexNi1-x /Щ110] при различных значениях параметра покрытия в и Т = 600 К
Далее представлены графики зависимости энергии адсорбции для систем РехИп-х/Си[111] и РвхИп-х^ [110] от концентрации компонент сплава при различных температурах и значениях параметра покрытия (рис. 7-12). На подложке из меди энергия адсорбции растет с увеличением концентрации железа в сплаве. Разность энергий адсорбции пленок чистого железа и чистого никеля максимальна при Т = 0 и в = 1 и уменьшается с ростом температуры и уменьшением параметра покрытия.
Рис. 7. Зависимость энергии адсорбции от концентрации компонент сплава X для системы FexNi1-x/Cu[111] при различных значениях параметра покрытия в и Т = 0 К
Рис. 8. Зависимость энергии адсорбции от концентрации компонент сплава X для системы FexNi1-x/Cu[111] при различных значениях параметра покрытия в и Т = 200 К
>
а>
1 ш
' 1 1 1 1 1 1 1 1 T=600K ____ - ■
-я- 0=0.4
-•- 0=0.6 ■
-А- 0=0.8
-Т- 0=1
_. _—* -
Рис. 9. Зависимость энергии адсорбции от концентрации компонент сплава X для системы FexNi1-x/Cu[111] при различных значениях параметра покрытия в и Т = 600 К.
Рис. 10. Зависимость энергии адсорбции от концентрации компонент сплава X для системы FexNi1-x /Щ110] при различных значениях параметра покрытия в и Т = 0 К
Для случая адсорбции пленки на подложке из вольфрама (рис. 10-12) в зависимости энергии адсорбции от концентрации Ре в сплаве можно выделить две области. Так, в ферромагнитной фазе при Т < Тс(в,х) энергия адсорбции увеличивается с ростом концентрации Ре в сплаве, а в парамагнитной фазе при Т > Тс(в,х) - уменьшается. Граница ферромагнитной фазы определяется формулой 2. Так, рост Eads наблюдается при Т = 0 (рис. 10) при всех в и х, с увеличением Т - при больших значениях в и х.
Вестник Омского университета 2018. Т. 23, № 2. С. 67-72
ISSN 1812-3996-
0,4 0,6
X
Рис. 11. Зависимость энергии адсорбции от концентрации компонент сплава X для системы FexNi1-x /Щ110] при различных значениях параметра покрытия в и Т = 200 К
В данной работе была применена методика расчета энергетических характеристик активированной адсорбции ферромагнитных пленок в зависимости от концентрации компонент сплава пленки, основанная на использовании метода функционала спиновой плотности с учетом температурных эффектов и неоднородного распределения намагниченности.
Была рассчитана энергия адсорбции для систем РехИи-х/Си[111] и РехИи-х/Ш[110] в зависимости от концентрации компонент сплава пленки и параметра покрытия.
Результаты расчетов показали, что энергия адсорбции уменьшается с ростом параметра в и растет с увеличением концентрации Ре в сплаве. При всех температурах энергия адсорбции системы РехМк-х/Си[111] меньше энергии адсорбции системы FexNil-x/W[110] при одном и том же параметре покрытия в. Для случая адсорбции пленки на подложке из вольфрама в ферромагнитной фазе при Т < Тс(в,х) энергия адсорбции увеличивается с ростом концентрации Ре в сплаве, а в парамагнитной фазе при Т > Тс(в,х) - уменьшается.
Характер зависимости области устойчивости образования монослойной пленки без перемешивания от концентрации железа отличается для разных материалов подложки. Так, для медной подложки при малых значениях параметра покрытия пленки с большими значениями концентрации железа не образуются. Можно выделить график парамагнитной фазы (Т > Тс), для которого характерно очень сильное перемешивание для медной подложки и образование пленки для подложки из вольфрама.
Рис. 12. Зависимость энергии адсорбции от концентрации компонент сплава X для системы FexNi1-x /Щ110] при различных значениях параметра покрытия в и Т = 600 К
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Прудников В. В., Прудников П. В., Мамонова М. В. Теоретические методы расчета структурных, энергетических и магнитных характеристик систем с межфазным взаимодействием. Омск : Изд-во Ом. гос. ун-та, 2017. 190 с.
2. Прудников В. В., Прудникова И. А., Мамонова М. В. Теоретические и экспериментальные методы в физике поверхности. Омск : Изд-во Ом. гос. ун-та, 2009. 554 с.
3. Мамонова М. В., Прудников В. В., Климов С. П. Описание активированной адсорбции магнитных ионов переходных металлов на поверхности твердых тел с образованием ультратонких ферромагнитных пленок // Вестн. Ом. ун-та. 2010. № 4. С. 50-56.
4. Volchkov S. O., Yuvchenko A. A., Lepalovskij V. N., Fernandez E., Kurlyandskaya G. V. Magnetoimpedance of FeNi Thin Film Meanders // Solid State Phenomena. 2012. Vol. 190. P. 609-612.
Вестник Омского университета 2018. Т. 23, № 2. С. 67-72
-ISSN 1812-3996
5. Kudrnovsky J., Drchal V., Bruno P. Magnetic properties of fcc Ni-based transition metal alloys // Phys. Rev. B. 2008. Vol. 77. P. 224422.
6. Alam A., Mookerjee A. Ab initio electronic structure calculation of disorder ternary alloys: A reciprocal-space formulation // Phys. Rev. B. 2010. Vol. 81, iss. 18. P. 184205.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Мамонова Марина Владимировна - кандидат физико-математических наук, доцент кафедры теоретической физики, Омский государственный университет им. Ф. М. Достоевского, 644077, Россия, г. Омск, пр. Мира, 55а; e-mail: mamonovamv@omsu.ru.
Прудникова Ирина Анатольевна - кандидат физико-математических наук, доцент кафедры математических и естественно-научных дисциплин, Омский государственный аграрный университет им. П. А. Столыпина, 644008, Россия, г. Омск, Институтская пл., 1; e-mail: ia.prudnikova@omgau.org.
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Mamonova Marina Vladimirovna - Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Docent of the Department of Theoretical Physics, Dostoevsky Omsk State University, 55a, pr. Mira, Omsk, 644077, Russia; e-mail: mamonovamv@omsu.ru.
Prudnikova Irina Anatolevna - Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Docent of the Department of Mathematical and Natural Science Disciplines, Omsk State Agrarian University n. a. P. A. Stolypin, 1, Instiutskaya sq., Omsk, 644008, Russia; e-mail: ia.prudnikova@omgau.org.
ДЛЯ ЦИТИРОВАНИЯ
Мамонова М. В., Прудникова И. А. Расчет энергии адсорбции монослойной пленки сплава Fe и N на плотноупакованных гранях ^ и W в зависимости от концентрации компонент сплава // Вестн. Ом. ун-та. 2018. Т. 23, № 2. С. 67-72. DOI: 10.25513/1812-3996.2018.23(2).67-72.
FOR CITATIONS
Mamonova M.V. Prudnikova I.A. Calculation of adsorption energy of Fe and Ni alloy monolayer film on close-packed W and Cu surfaces in depend on alloy component concentration. Vestnik Omskogo universiteta = Herald of Omsk University, 2018, vol. 23, no. 2, pp. 6772. DOI: 10.25513/1812-3996.2018.23(2).67-72. (in Russ.).
