CC BY
10
ФИЗИКА PHYSICS
УДК 539.2
DOI 10.24147/1812-3996.2020.25(3).18-22
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ
ПРИ АДСОРБЦИИ ПЛЕНКИ ЖЕЛЕЗА НА ПОДЛОЖКЕ ИЗ СЕРЕБРА
М. В. Мамонова, В. В. Прудников, А. С. Макаричева
Омский государственный университет им. Ф. М. Достоевского, г. Омск, Россия
Информация о статье
Дата поступления 11.09.2020
Дата принятия в печать 22.09.2020
Дата онлайн-размещения 28.12.2020
Ключевые слова
Заместительная адсорбция, ультратонкие магнитные пленки
Аннотация. Представлены результаты расчетов энергетических и магнитных характеристик активированной адсорбции монослойной ферромагнитной плёнки железа на поверхности серебра. Исследования проводились с применением двух подходов: вариационного метода функционала спиновой плотности с учётом температурных эффектов и неоднородного распределения намагниченности и первопринципного, реализованного с помощью программного комплекса VASP. Проводились расчеты полной и межфазной энергии, магнитного момента и энергии адсорбции системы Fe/Ag в зависимости от ориентации грани подложки, параметра покрытия 0 и доли адатомов в пленке. Выявлено сильное влияние перемешивания и энергетическая выгодность образования системы типа «сэндвич». На плотноупакованной грани Ag непрерывная пленка Fe образовываться не будет, что подтверждено экспериментальными исследованиями.
Финансирование
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 20-32-70189, госзадания Минобрнауки РФ (№ 0741-20200002) и гранта Президента РФ МД-2229.2020.2
INVESTIGATION OF ATOMIC MIXING DURING ADSORPTION OF IRON FILM ON SILVER SUBSTRATE
M. V. Mamonova, V. V. Prudnikov, A. S. Makaricheva
Dostoevsky Omsk State University, Omsk, Russia
Article info
Received 11.09.2020
Accepted 22.09.2020
Available online 28.12.2020
Keywords
Substitutional adsorption, ultrathin magnetic films
Abstract. The results of calculations of the energy and magnetic characteristics of the activated adsorption of a monolayer ferromagnetic iron film on the silver surface are presented. The studies were carried out using two approaches: the variational method of the spin density functional taking into account temperature effects and inhomogeneous distribution of magnetization and the ab initio one, implemented using the VASP software package. Calculations were made of the total and interfacial energies, magnetic moment and adsorption energy of the Fe / Ag system, depending on the orientation of the substrate face, the coating parameter 0 and the fraction of adatoms in the film. The strong influence of mixing and the energetic advantage of the formation of a "sandwich" system have been revealed. A continuous Fe film will not form on the close-packed Ag face, which is confirmed by experimental studies.
Acknowledgements
The reported study was funded by the RFBR according to the research project 20-32-70189, by the Ministry of Education and Science of Russian Federation in the framework of the state assignment (№ 0741-2020-0002), and grant of the President of the Russia MD-2229.2020.2
Статья посвящена исследованию явления заместительной адсорбции монослойной ферромагнитной плёнки железа на поверхности серебра в рамках двух подходов метода функционала спиновой плотности: вариационного [1], с учётом температурных эффектов и неоднородного распределения намагниченности, и первопринципного, реализованного с помощью программного комплекса VASP [2, р. 208]. В последнее время большой интерес вызывают процессы, происходящие на поверхности, такие как адсорбция, адгезия, энергия межфазного взаимодействия, магнитное взаимодействие, а также факторы, влияющие на данные величины. Это обусловлено применением ферромагнитных пленок в микроэлектронике и вычислительной технике в качестве магнитных носителей для записи и хранения информации в запоминающих устройствах [3, р. 308].
Система Fe/Ag интересна своими свойствами. Во-первых, она образуется и стабильна при комнатных температурах, во-вторых, кристаллическая структура объемных материалов железа и серебра, а также их поверхностные энергии сильно отличаются, что приводит к неоднозначности структуры пленки [4].
Заместительная адсорбция характеризуется тем, что адсорбированные атомы металла могут выталкивать приповерхностные атомы субстрата в пленку и занимать их место. При температурах, близких к комнатным, происходит только заместительная адсорбция. В первом приповерхностном слое подложки и в пленке образуется смесь атомов субстрата и адсорбата, которая по своим свойствам напоминает бинарный раствор двух металлов. При этом смешивании наблюдается изменение магнитных и энергетических характеристик. Для исследования зависимости магнитных и энергетических характеристик используют параметр р - доля адатомов в пленке [1].
Вариационным методом были посчитаны межфазная энергия, энергия неактивированной адсорбции и энергия активированной адсорбции системы Fe/Ag от параметра покрытия и температуры. Пара-
метр покрытия варьировался от 0,4 до 1 с шагом 0,05, температура изменялась от 0 К до 600 К с шагом 300. Расчеты межфазной энергии проводились для пленки железа на подложке из серебра Ag(100). Полученные результаты можно увидеть на рис. 1.
Из данного графика видно, что с уменьшением температуры и увеличением параметра покрытия межфазная энергия уменьшается и при Т = 0 при параметре покрытия О > 0,9 становится отрицательной, что указывает на невозможность образования непрерывной пленки и требует учета замещения.
Рис. 1. Зависимость межфазной энергии для грани 100 от параметра покрытия О при различных температурах
0,0
Рис. 2. Зависимость активированной энергии адсорбции для грани 100 от параметра порядка О при различных температурах
Расчеты энергии активированной адсорбции проводились для пленки железа на подложке из серебра Ag (100) при различных температурах (Т = 0, Т = 300, Т = 600). Также учитывалась зависимость межплоскостного расстояния от параметра покрытия. Результаты расчетов представлены на рис. 3.
0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
Рис. 3. Зависимость параметра p_min для грани 100 от параметра порядка О при различных температурах
Данные, полученные в результате расчетов межфазной энергии, хорошо сочетаются с данными, полученными ранее [5].
С помощью программного комплекса VASP были проведены расчеты полной энергии и магнитных моментов системы с пленкой на поверхности Fe/Ag/Fe и с замещенным атомами железа приповерхностным слоем подложки, так называемая система типа «сэндвич» Ag/Fe/Ag/Fe/Ag. Начальная система состояла из семи слоев, по одному атому в слое.
На рис. 4 показаны возможные положения ада-томов при используемых ориентациях поверхностной грани. Результаты расчетов магнитного момента и полной энергии для этих положений представлены в табл. 1.
а б
Рис. 4. Конфигурация различных положений атомов
Таблица 1 Результаты расчетов полной энергии и магнитных моментов
Fe/Ag Ag/Fe/Ag/Fe/Ag
Конфигурация H, НБ Е, эВ H, НБ Е, эВ
Fe/Ag (100) hollow 3,05 -26,35 2,94 -27,43
Fe/Ag (100) bridge 3,13 -25,56 3,02 -26,66
Fe/Ag (100) ontop 3,17 -24,96 3,03 -26,12
Fe/Ag (110) hollow 3,1 -25,61 3,02 -26,26
Fe/Ag (110) longbridge 3,13 -24,50 3,01 -25,71
Fe/Ag (110) ontop 3,25 -23,12 3,06 -24,76
Fe/Ag (110) shortbridge 3,27 -18,05 3,08 -18,82
Fe/Ag (111) bridge 3,05 -26,69 2,94 -27,55
Fe/Ag (111) fcc 3,02 -26,76 2,93 -27,62
Fe/Ag (111) hcp 3,03 -26,40 2,95 -27,29
Fe/Ag (111) ontop 3,11 -26,04 3,01 -26,96
для 20
Из приведенных в таблице данных видно, что всех граней полная энергия структуры Fe/Ag
меньше, чем для Ag/Fe/Ag/Fe/Ag. Из этого можно сделать вывод, что легче будет образовываться структура Ag/Fe/Ag/Fe/Ag.
В рамках первопринципного подхода была рассчитана энергия адсорбции для структуры Fe/Ag по формуле:
1
Eads _ ^ (Esub+ads ~ E sub ~ 2Ebulk ) , (1)
где Esub+ods- полная энергия системы подложки и пленки, EsufJ - полная энергия подложки, ЕЫк - объемная энергия адатома. Применяя полученные в зависимости от ориентации грани следующие значения:
EAg (110)
-12,293эВ, EAg (100)
-12,749эВ,
ЕДд (111) = -12,928эВ, Еык = -8,23 эВ, были рассчитаны и представлены в табл. 2 значения энергии адсорбции.
Таблица 2 Результаты расчетов полной энергии и энергии адсорбции системы Ре/Ад/Ре
Конфигурация Е, эВ Eads, эВ
Fe/Ag (100) hollow -26,35 1,43
Fe/Ag (100) bridge -25,56 1,82
Fe/Ag (100) ontop -24,96 2,12
Fe/Ag (110) hollow -25,61 1,57
Fe/Ag (110) longbridge -24,50 2,13
Fe/Ag (110) ontop -23,12 2,82
Fe/Ag (110) shortbridge -18,05 5,35
Fe/Ag (111) bridge -26,70 1,35
Fe/Ag (111) fcc -26,76 1,31
Fe/Ag (111) hcp -26,39 1,50
Fe/Ag (111) ontop -26,04 1,67
Из расчетов можно сделать следующие выводы. Структура типа «сэндвич» является наиболее энергетически выгодной, но магнитные моменты атомов железа уменьшаются в сравнении с атомами в пленке на поверхности. Энергия адсорбции для всех граней и положений адатома положительная, что демонстрирует невозможность образования непрерывной пленки, а значит, возникает необходимость исследования эффектов перемешивания. Для грани (100) максимальная энергия Eads = 2,124 эВ для положения адатома ontop, а минимальная -Emfc = 1,428 эВ для hollow. Для грани (110) максимальная энергия Eads = 5,351 эВ для положения адатома shortbridge, а минимальная - Eads = 1,573 эВ для hollow. Для грани (111) максимальная энергия Erfs = 1,6731 эВ для положения адатома ontop, а минимальная - E = 1,313эВ для fcc.
Для учета перемешивания необходимо увеличить количество атомов в слое до 4 (всего 28 атомов -20 Ag и 8 Fe). Вначале исследовалась система, содержащая все атомы железа на поверхности (р = 1).
Из расчетов получили, что магнитный момент атома железа в данной структуре ц = 3,045 цБ, полная энергия Е(р = 1) = -105,299 эВ.
Далее исследовалась структура, когда все атомы железа заменились атомами серебра, образовалась структура типа «сэндвич» (р = 0). Магнитный момент в данной структуре ц = 2,932 цБ, полная энергия Е(р = 0) = -109,600 эВ.
Сравнивая данные системы и их характеристики, можем заметить, что полная энергия при р = 0 меньше полной энергии при р = 1. Таким образом, более энергетически выгодно образование структуры типа «сэндвич» (р = 0), но магнитный момент для нее меньше.
Далее рассмотрели систему, где в пленке было три атома железа и один атом серебра, доля адато-мов р = 0,75. Полная энергия Е(р = 0,75) = -108,291 эВ, магнитный момент ц(р = 0,75) = 2,854 цБ.
Следующая система, где в пленке один атом железа и три атома серебра, доля адатомов р = 0,25. Полная энергия Е(р = 0,25) = -109,984 эВ, магнитный момент ц(р = 0,25) = 2,825 цБ.
Из данных, представленных в таблице 3, можно увидеть, что полная энергия минимальна для доли адатомов на поверхности р = 0,25, максимальна для р = 1. Отсюда можно сделать следующий вывод: образование непрерывной пленки железа на серебре энергетически не выгодно. Таким образом, перво-принципные расчеты подтверждают выводы, сделанные при расчетах вариационным методом, и значения, представленные на рис. 1-3, при Т = 0 и 0 = 1.
Из представленных в таблице 3 рассчитанных значений магнитного момента можно заметить, что при учете перемешивания магнитные моменты атомов в пленке и в подложке отличаются. Поэтому были проведены исследования с целью определить, осуществляет ли влияние на характеристики системы определенное положение атомов для замещения.
Результаты расчетов для различных вариантов положения замещающих атомов, для доли адатомов р = 0,25 и р = 0,75 показали, что смена позиций в ячейке замещающих атомов не влияет на энергетические и магнитные характеристики. Для р = 0,5 есть два случая замещения: послойное и в шахматном порядке (рис. 5). Для этих случаев происходит изменение как магнитного момента каждого атома, так и полной энергии системы (табл. 4).
Таблица 3
Доля адатомов в пленке р, полная энергия Е, магнитный момент всей системы и, магнитные моменты атомов железа И1, И2, Из, И* системы Ре/Ад
р Е, эВ M, МБ М1, МБ М2, МБ М3, МБ М4, МБ
1 -105,3 3,0 3,05 3,05 3,05 3,05
0,75 -108,3 2,9 2,7 2,9 2,9 2,8
0,5 -108,0 2,8 2,7 2,9 2,7 2,9
0,25 -109,1 2,8 2,8 2,9 2,8 2,8
0 -109,6 2,9 2,9 2,9 2,9 2,9
Рис. 5. Изменение положения вытесняемых атомов при р = 0,5, слева послойное, справа шахматное
Таблица 4 Магнитные моменты атомов при р = 0,5
Послойное Шахматное
№ атома М, МБ № атома М, МБ
1 -0,001 1 -0,004
2 2,880 2 2,960
3 2,880 3 -0,004
4 -0,001 4 2,960
5 -0,002 5 2,814
6 2,736 6 0,004
7 -0,002 7 -0,004
8 2,736 8 2,814
Энергия адсорбции с учетом перемешивания была рассчитана по формуле (2), результаты расчета приведены в табл. 5:
1
Eads =-(~EAe + 2NAgE-
*Ag г Ag _ bulk
2 j\jFe ^Fe _ atom ^ ^sub+ads
). (2)
Таблица 5
Энергия адсорбции Еас^, системы Ре/Ад в зависимости от различной доли адатомов на поверхности р
Р Eads, ЭВ
р = 1 0,34
Р = 0,75 -0,29
р = 0,5 (послойное) -0,89
р = 0,5 (шахматное) -0,86
Р = 0,25 -1,47
р = 0 -2,04
Энергия адсорбции для случая р = 1 положительна, что показывает невозможность образования непрерывной пленки. Увеличение энергии адсорбции с ростом параметра р соотносится с данными, полученными вариационным методом.
В данной работе исследовалась система Fe/Ag для расчёта энергетических и магнитных характеристик активированной адсорбции ферромагнитной плёнки в рамках квантово-химического и вариационного подходов функционала спиновой плотности в зависимости от доли адатомов в пленке.
Выявлено сильное влияние перемешивания в системе Fe/Ag как на магнитные, так и на энергетические характеристики системы.
Из результатов вычислений можно сделать следующие выводы, совпадающие как для квантово-
химического, так и вариационного подходов: энергетически более выгодно образование структуры типа «сэндвич», непрерывная пленка в таком случае образовываться не будет, что согласуется с данными эксперимента [4] и расчетами других авторов [5].
Для проведения расчетов были использованы вычислительные ресурсы ЦКП «Центр данных ДВО РАН», Межведомственного суперкомпьютерного центра РАН, Суперкомпьютерного центра МГУ им. М.В. Ломоносова.
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, 2007. 190 с.
2. Marsman G., Kresse M. VASP the GUIDE. Wien, 2000. 208 р.
3. Bland J. A. C., Heinrich B. Ultrathin Magnetic Structures. Berlin : Springer, 2005. 308 р.
4. Hahlin A., Andersson C., Hunter Dunn J., Sanyal B., Karis O., Arvanitis D. Structure and magnetism of ultrathin epitaxial Fe on Ag(100) // Phys. Rev. B. 2006. Vol. 73. Р. 134423.
5. Song Lu, Qing-Miao Hu, Marko P. J. Punkkinen, Borje Johansson, and Levente Vitos. First-principles study of fcc-Ag/bcc Fe interfaces // Phys. Rev. B. 2013. Vol. 87. Р. 224104.
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.
Прудников Владимир Васильевич - доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой теоретической физики, Омский государственный университет им. Ф. М. Достоевского, 644077, Россия, г. Омск, пр. Мира, 55а; e-mail: prudnikv@univer.omsk.ru.
Макаричева Алена Сергеевна - аспирант кафедры теоретической физики, Омский государственный университет им. Ф. М. Достоевского, 644077, Россия, г. Омск, пр. Мира, 55а; e-mail: lekin_alena@mail.ru.
ДЛЯ ЦИТИРОВАНИЯ
Мамонова М. В., Прудников В. В., Макаричева А. С. Исследование процессов перемешивания при адсорбции пленки железа на подложке из серебра // Вестн. Ом. ун-та. 2020. Т. 25, № 3. С. 18-22. DOI: 10.24147/1812-3996.2020.25(3).18-22.
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.
Prudnikov Vladimir Vasiljevich - Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Professor, Head of the Department of Theoretical Physics, Dostoevsky Omsk State University, 55a, pr. Mira, Omsk, 644077, Russia; e-mail: prudnikv@univer.omsk.ru.
Makaricheva Alena Sergeevna - Postgraduate Student, the Department of Theoretical Physics, Dostoevsky Omsk State University, 55a, pr. Mira, Omsk, 644077, Russia; e-mail: lekin_alena@mail.ru.
FOR GTATIONS
Mamonova M. V., Prudnikov V. V., Makaricheva A. S. Investigation of atomic mixing during adsorption of iron film on silver substrate. Vestnik Omskogo universi-teta = Herald of Omsk University, 2020, vol. 25, no. 3, pp. 18-22. DOI: 10.24147/1812-3996.2020.25(3).18-22. (in Russ.).
