CC BY
10
УДК 539.2
DOI 10.24147/1812-3996.2021.26(2).52-57
ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРНЫХ И МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ ПЛЕНКИ НИКЕЛЯ НА ПОДЛОЖКЕ ВОЛЬФРАМА
М. В. Мамонова, В. В. Прудников, И. Е. Шевченко
Омский государственный университет им. Ф. М. Достоевского, г. Омск, Россия
Информация о статье
Дата поступления 10.06.2021
Дата принятия в печать 13.07.2021
Дата онлайн-размещения 24.09.2021
Ключевые слова
Заместительная адсорбция, ультратонкие магнитные пленки
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
Аннотация. Представлены результаты расчетов структурных, энергетических и магнитных характеристик ферромагнитной пленки никеля на поверхности вольфрама. Исследованы случаи неактивированной и активированной адсорбции, ферромагнитного и антиферромагнитного типов спиновой ориентации и случаи магнитной анизотропии типов «легкая ось» и «легкая плоскость». Проведены расчеты межфазной энергии и энергии адсорбции системы Ni/W в зависимости от параметра покрытия 0 и положения адатома. Исследования осуществлялись с применением двух подходов: вариационного метода функционала спиновой плотности с учетом температурных эффектов и неоднородного распределения намагниченности и первопринципного, реализованного с помощью программного комплекса VASP. Показано, что монослойная пленка никеля является немагнитной, но с увеличением толщины пленки наблюдается суперпозиция ОЦК (110) и ГЦК (111) структур, которая приводит к появлению магнитных свойств, что подтверждается экспериментальными исследованиями. Непрерывная пленка Ni образуется только на плотноупакованной грани W (110).
INVESTIGATION OF STRUCTURAL AND MAGNETIC PROPERTIES OF A NICKEL FILM ON A TUNGSTEN SUBSTRATE
M. V. Mamonova, V. V. Prudnikov, I. E. Shevchenko
Dostoevsky Omsk State University, Omsk, Russia
Article info
Received 10.06.2021
Accepted 13.07.2021
Available online 24.09.2021
Keywords
Substitutional adsorption, ultrathin magnetic films
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
Abstract. The results of calculations of the structural, energy and magnetic characteristics of a ferromagnetic nickel film on a tungsten surface are presented. The cases of inactivated and activated adsorption, ferromagnetic and antiferromagnetic types of spin orientation, and cases of magnetic anisotropy of the easy axis and easy plane types were investigated. Calculations were made of the interfacial energy and the adsorption energy of the Ni/W system depending on the coating parameter 0 and the position of the adatom. 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. It was revealed that a monolayer nickel film is nonmagnetic, but with an increase in the film thickness, a superposition of bcc (110) and fcc (111) structures is observed, which leads to the appearance of magnetic properties, which is confirmed by experimental studies. A continuous Ni film is formed only on the close-packed W (110) face.
assignment (№ 0741-2020-0002), and grant of the President of the Russia MD-2229.2020.2
Данная статья посвящена исследованию явления заместительной адсорбции монослойной ферромагнитной пленки никеля на поверхности вольфрама, а также исследованию ее магнитных, структурных и энергетических свойств в зависимости от толщины пленки в рамках двух подходов метода функционала спиновой плотности: вариационного [1], с учетом температурных эффектов и неоднородного распределения намагниченности, и первоприн-ципного, реализованного с помощью программного комплекса VASP [2]. В последнее время большой интерес вызывают процессы, происходящие на поверхности, такие как адсорбция, адгезия, методы определения энергии межфазного взаимодействия, влияния магнитного взаимодействия, а также факторов, влияющих на эти величины. Интерес к данной области обусловлен применением ферромагнитных пленок в микроэлектронике и вычислительной технике в качестве магнитных носителей для записи и хранения информации в запоминающих устройствах [3].
Структурные и магнитные свойства системы
исследовались экспериментально с помощью сканирующей туннельной микроскопии [4]. Было выявлено изменение структурных параметров пленки, так как N и W обладают различной кристаллической структурой: объемно-центрированной кубической (ГЦК) и гранецентрированной кубической (ОЦК) соответственно. Это является интересной особенностью данной системы, так как с изменением ее толщины и структуры происходят существенные изменения магнитных свойств.
Было выявлено, что ОЦК N демонстрирует переход между парамагнитным и ферромагнитным состояниями с увеличением постоянной решетки [5]. В работе [6] отмечается, что вплоть до покрытия в 0.75 монослоя пленка N растет псевдоморфно как ОЦК (110). При дальнейшем напылении образуется напряженный ГЦК (111) монослой (МС) №, который демонстрирует суперструктуру в виде суперпозиции ОЦК (110) и ГЦК (111), вследствие чего происходит переход от парамагнитной фазы поверхности ОЦК N (110) к ферромагнитной фазе поверхности ГЦК N (111). Данный вывод находится в согласии с работой [7], авторы которой заключили, что начиная с 2 МС N растет в структуре ГЦК (111) последовательно слой за слоем.
Известно, что заместительная адсорбция характеризуется тем, что адсорбированные атомы металла
могут выталкивать приповерхностные атомы субстрата в пленку и занимать их место. При температурах, близких к комнатной, 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 описания зависимости магнитных и энергетических характеристик используют параметр р - долю адатомов в пленке [1].
Вариационным методом были рассчитаны межфазная энергия, энергия неактивированной адсорбции и энергия активированной адсорбции системы в зависимости от параметра покрытия и температуры. Параметр покрытия варьировался от 0.4 до 1 с шагом 0.05, температура изменялась от 0 до 300 К. Полученные результаты представлены на рис. 1. Из приведенного на рис. 1 графика видно, что минимум межфазной энергии при параметре покрытия 0 = 0.4 смещается в отрицательную область величины зазора О а.е., что указывает на невозможность образования непрерывной пленки и требует учета эффектов замещения. При остальных значениях параметра покрытия 0 = 0.6...1.0 минимумы межфазной энергии находятся в положительной области величины зазора О а.е., что указывает на возможность образования непрерывной пленки в данных случаях.
0,1 0,2 а.е
Рис. 1. Зависимость межфазной энергии от величины зазора О а.е. для значений параметра покрытия 0 = 0.4; 0.6; 0.8; 1.0, при температуре Т = 300 К для грани (110)
Расчеты энергии активированной адсорбции проводились для пленки никеля на подложке из вольфрама при различных температурах: Т = 0, 150, 300 К (рис. 2). Также учитывалась зависимость параметра перемешивания от параметра покрытия при тех же температурах. Результаты расчета представлены на рис. 3.
Рис. 2. Зависимость энергии активированной адсорбции от параметра покрытия 0 при различных температурах Т для грани (110)
Рис. 3. Зависимость параметра перемешивания p от параметра покрытия 0 при различных температурах для грани (110)
С помощью программного комплекса VASP были осуществлены расчеты полной энергии и магнитных моментов системы Ni/W для случаев магнитной анизотропии типов «легкая плоскость» и «легкая ось». Начальная система состояла из семи слоев, по одному атому в слое.
На рис. 4 показаны возможные положения ада-томов. Результаты расчетов магнитных моментов для этих положений представлены в табл. 1.
%©
Щ ontop hollow longbridge shortbridge
• atlctnwMb! Mi * атомы W - атомы Ni
Рис. 4. Конфигурация различных положений адатомов
Та б л и ца 1
Значения магнитных моментов атомов Ni, полученные для неколлинеарного случая магнитной анизотропии типов «легкая плоскость» и «легкая ось»
nNi Init.p. M3!!, MB M2!!, MB M1!!, Mb M3±, Mb M2±, Mb M1±, Mb
hollow 0.000 - - 0.000
1 ontop - - 0.000 - - 0.000
longbridge - - 0.000 - - 0.000
shortbridge - - 0.000 - - 0.000
hollow - 0.568 0.162 - 0.129 0.040
2 ontop - 0.587 0.194 - 0.590 0.125
longbridge - 0.598 0.190 - 0.182 0.055
shortbridge - 0.600 0.185 - 0.080 0.022
hollow 0.741 0.624 0.128 0.746 0.625 0.123
3 ontop 0.071 0.089 0.025 0.491 0.413 0.083
longbridge 0.748 0.630 0.122 0.745 0.621 0.124
shortbridge 0.730 0.618 0.117 0.732 0.616 0.121
Из данных табл. 1 видно, что значения магнитных моментов для монослойной пленки никеля равны нулю, из чего следует, что она немагнитна. Но начиная с толщины пленки в 2 МС атомы никеля приобретают намагниченность. При этом значения магнитных моментов ближайших к подложке атомов оказываются очень малыми и составляют, в большинстве случаев, ц1 « 0,1 цв, в отличие от атомов второго слоя, значения магнитных моментов ц2 которых превышают данные значения в 3-5 раз, что указывает на то, что второй монослой формируется как магнитная фаза для структуры ГЦК Ni (111). Для трехслойной структуры эти значения еще больше, что указывает на всё большее смещение атомов никеля в сторону реализации ГЦК структуры (111).
На рис. 5 показаны примеры структурных изменений в кристаллической решетке системы Ni/W при переходе от парамагнитной фазы поверхности ОЦК Ni (110) к ферромагнитной фазе поверхности ГЦК Ni (111) с увеличением ее толщины. На рис. 5, a изображена ГЦК структура (111) для монослойной пленки Ni с положением адатома - hollow. Видно, что типичное положение адатома Ni в данном случае находится близко к центру ромбической поверхностной ячейки. Для ОЦК структуры решетки (110) монослойной пленки Ni (рис. 5, b) с начальным положением адатома hollow после учета эффектов релаксации энергетически выгодным оказалось положение,
повторяющее ОЦК-структуру подложки из атомов W. Это означает, что в данном случае мы наблюдаем сдвиг адатома из центра ромбической поверхностной ячейки в сторону повторения ОЦК структуры решетки W (110). Далее, как видно из рис. 5, с, для начального положения адатома hollow при увеличении количества монослоев начиная с 2 МС мы наблюдаем всё более существенные сдвиги положений атомов Ni от повторения ОЦК структуры решетки W (110) ближе к центру ромбической поверхностной ячейки в сторону повторения ГЦК структуры решетки Ni (111). Максимальный сдвиг наблюдается при толщине пленки 5 МС. Точно так же, как видно на рис. 5, d с начальным положением адатома short-bridge, наблюдается схожее поведение атомов Ni, как и на рис. 5, с, причем их сдвиги начиная с 3 МС оказываются более существенными, более близкими к центру ромбической поверхностной ячейки, чем в случае с положением адатомов hollow. Всё это согласуется с выводами, сделанными из эксперимента [6].
Рис. 5. Вид сверху на адатомы, полученные при различных конфигурациях системы демонстрирующие переход от парамагнитной фазы поверхности ОЦК N1 (110) к ферромагнитной фазе поверхности ГЦК N1 (111)
В рамках первопринципного подхода была рассчитана приведенная энергия на атом в отсутствии магнитной анизотропии и для магнитной анизотропии типов «легкая плоскость» и «легкая ось» при различных конфигурациях системы N1^. Значения приведенной энергии на атом представлены в табл. 2.
Таблица 2 Значения приведенной энергии на атом
nNi Init. p. Eav, эВ/ат EnonC|| эВ/ат Enonc_|_ эВ/ат
2 hollow -9.398 -9.476 -9.475
ontop -9.349 -9.478 -9.352
longbridge -9.351 -9.476 -9.474
shortbridge -9.305 -9.475 -9.477
3 hollow -8.583 -8.690 -8.690
ontop -8.569 -8.562 -8.690
longbridge -8.593 -8.699 -8.691
shortbridge -8.588 -8.694 -8.694
Из представленных значений видно, что минимальная энергия достигается для двухслойной и трехслойной пленок никеля в случае магнитной анизотропии типа «легкая плоскость», что указывает на ее энергетическую выгодность.
Также исследовались ферромагнитный и антиферромагнитный типы магнитного упорядочения для системы На рис. 6 представлена разность
значений полной энергии ферромагнитного и антиферромагнитного типов магнитного упорядочения.
? 3 4 $
ТЫскпезэ
Рис. 6. Зависимость разности значений полной энергии ферромагнитного и антиферромагнитного типов магнитного упорядочения от толщины пленки при различных конфигурациях системы
Из анализа представленных результатов можно сделать вывод, что ферромагнитный тип магнитного упорядочения энергетически наиболее выгоден при толщине пленки в пять монослоев. Для меньших толщин пленки преимущества в энергетической выгодности между ферромагнитным и антиферромагнитным типами магнитного упорядочения не наблюдаются.
В данной работе в рамках первопринципного и вариационного подходов МФП была исследована
система Ni/W. С использованием VASP были рассчитаны значения магнитных моментов и полной энергии для различных толщин пленки Ni на подложке из W при ориентации поверхностной грани (110) и при различных положениях адсорбированного атома.
Результаты расчетов намагниченности показали, что для монослойной магнитной пленки Ni толщиной 0.2 нм не возникает намагниченности при рассмотренных положениях адатома и ориентации магнитного момента. Расчеты при увеличении толщины пленки Ni показали, что намагниченность появляется уже при толщине 2 МС, которая является пороговой согласно результатам экспериментов [8].
Результаты расчетов показали, что для монослойной пленки после учета эффектов релаксации из своих начальных положений адатомы смещаются в сторону повторения структуры ОЦК-решетки W. Но с увеличением толщины пленки начиная с 2 MC после релаксации атомы Ni от вида парамагнитной фазы ОЦК Ni (110) постепенно смещаются в положение, соответствующее ферромагнитной фазе ГЦК Ni (111). Наблюдается суперпозиция ОЦК (110) и ГЦК (111) для пленки Ni, которая приводит к появлению магнитных свойств у системы Ni/W.
С ростом толщины магнитной пленки из атомов Ni увеличиваются значения магнитных моментов адсорбированных атомов. При этом магнитный момент атома, ближайшего к подложке, очень мал: ц1 » 0,1 цв, - что почти в 3-5 раз меньше значения для атома в следующем слое ц2.
Только для толщины пленки в 5 МС исследуемой системы ферромагнитная спиновая конфигурация является более энергетически выгодной, чем антиферромагнитная. Для меньших толщин преимущества в энергетической выгодности между двумя типами магнитного упорядочения не наблюдаются.
Исследования магнитной анизотропии для толщины пленки в 2 и 3 МС выявили энергетическую выгодность для анизотропии типа «легкая плоскость».
Применение вариационного подхода к исследованию неактивированной адсорбции показало, что в случаях ориентации поверхностной грани (100) и (111) минимум межфазной энергии при всех значениях параметра покрытия 0, а в случае ориентации поверхностной грани (110) при значениях параметра покрытия 0 = 0.4...0.6 смещается в отрицательную зону для величины зазора D, что указывает на выгодность перемешивания адатомов с атомами субстрата, что подтверждается экспериментально [8]. Для грани (110) при значениях параметра покрытия 0 = 0.8.1.0 минимум межфазной энергии оказался в положительной области величины зазора D, что указывает на энергетическую выгодность образования пленки в данных случаях.
Расчеты активированной адсорбции демонстрируют образование пленки только при ориентации грани (110) для низких температур при 0 < 0.7, а при 0 > 0.7 только при T > Tc
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. Kresse G., Marsman M., Furthmüller J. VASP the GUIDE. Wien, 2009. 162 p.
3. Ultrathin Magnetic Structures III. Fundamentals of Nanomagnetism / eds. J. A. C. Bland, B. Heinrich. Berlin : Springer, 2005. 313 p.
4. Schoneberg J., Weismann A., Bernd R. Scanning tunneling spectroscopy of Ni/W(110): bcc and fcc properties in the second atomic layer // Applied Physics A. 2013. Vol. 111. P. 285-288. DOI: 10.1007/s00339-012-7523-0.
5. Moruzzi V. L. Singular Volume Dependence of Transition-Metal Magnetism // Physical Review Letters. 1986. Vol. 57, iss. 17. P. 2211. DOI: 10.1103/PhysRevLett.57.2211.
6. Li Y., Baberschke K. Dimensional crossover in ultrathin Ni(111) films on W(110) // Physical Review Letters. 1992. Vol. 68, iss. 8. P. 1208. DOI: 10.1103/PhysRevLett.68.1208.
7. Kolaczkiewicz J., Bauer E. Clausius-Clapeyron equation analysis of two-dimensional vaporization // Surface Science. 1984. Vol. 155. P. 700-714.
8. Schmidthals C., Sander D., Enders A., Kirschner J. Structure and morphology of Ni monolayers on W(110) // Surface Science. 1998. Vol. 417. P. 361-371.
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.
Шевченко Иван Евгеньевич - аспирант кафедры теоретической физики, Омский государственный университет им. Ф. М. Достоевского, 644077, Россия, г. Омск, пр. Мира, 55а; e-mail: 79081194923@ mail.ru.
ДЛЯ ЦИТИРОВАНИЯ
Мамонова М. В., Прудников В. В., Шевченко И. Е. Исследование структурных и магнитных свойств пленки никеля на подложке вольфрама // Вестн. Ом. ун-та. 2021. Т. 26, № 2. С. 52-57. DOI: 10.24147/ 1812-3996.2021.26(2).52-57.
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Mamonova Marina Vladimirovna - Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor 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.
Shevchenko Ivan Evgenevich - Postgraduate student of the Department of Theoretical Physics, Dostoevsky Omsk State University, 55a, pr. Mira, Omsk, 644077, Russia; e-mail: lekin_alena@mail.ru.
FOR QTATIONS
Mamonova M.V., Prudnikov V.V., Shevchenko I.E. Investigation of structural and magnetic properties of a nickel film on a tungsten substrate. Vestnik Omskogo universiteta = Herald of Omsk University, 2021, vol. 26, no. 2, pp. 52-57. DOI: 10.24147/1812-3996.2021. 26(2).52-57. (in Russ.).
