CC BY
32
УДК 539.612
РАСЧЕТ РАБОТЫ ВЫХОДА ЭЛЕКТРОНА С ПОВЕРХНОСТИ МЕДИ И ВОЛЬФРАМА ПРИ АДСОРБЦИИ МОНОСЛОЙНЫХ ФЕРРОМАГНИТНЫХ ПЛЕНОК
М. В. Мамонова, С. З. Кожахметов, П. А. Фомин
Омский государственный университет им. Ф. М. Достоевского, г. Омск, Россия
Информация о статье
Дата поступления 03.03.2017
Дата принятия в печать 04.04.2017
Дата онлайн-размещения 15.07.2017
Ключевые слова
Работа выхода электрона, адсорбция, магнитные ультратонкие пленки
Аннотация. В данной работе для описания адсорбции ферромагнитных тонких пленок на поверхности переходных металлов было использовано два подхода: вариационный метод функционала спиновой плотности и первопринципный квантово-ме-ханический метод с применением программного комплекса VASP. Проведены расчеты значений работы выхода электрона с чистой плотноупакованной поверхности меди и вольфрама, а также исследовано ее изменение при адсорбции ферромагнитных тонких пленок Fe, Со и №.
Финансирование
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 17-02-00279
CALCULATION OF ELECTRON WORK FUNCTION FROM THE SURFACE OF COPPER AND TUNGSTEN WITH THE ADSORPTION OF A MONOLAYER OF FERROMAGNETIC FILMS
M. V. Mamonova, S. Z. Kogahmetov, P. A. Fomin
Dostoevsky Omsk State University, Omsk, Russia
Article info Abstract. In this paper, to describe the adsorption of ferromagnetic thin films on the sur-
Received face of transition metals, two approaches were used: the variational method of the spin
03.03.2017 density functional theory and the first-principle quantum mechanical method using the
VASP software. Calculations have been made of the electron work function from close-Accepted packed surface of copper and tungsten, as well as its change in the adsorption of ferro-
04.04.2017 magnetic thin films of Fe, Co, and Ni as a function of the parameter of coverage 0 for
different temperatures.
Available online 15.07.2017
Keywords
Electron work function, activated adsorption, magnetic ultrathin films
Acknowledgements
The reported study was funded by RFBR according to the research project № 17-02-00279
Исследование изменения поверхностных харак- пленок является актуальной проблемой как с точки теристик различных веществ при адсорбции тонких зрения фундаментальных представлений об измене- 51
Herald of Omsk University 2017, no. 2(84), pp. 51-55
нии свойств кристаллов приповерхностной области, так и с прикладной точки зрения модификации свойств материалов за счет напыления покрытия с необходимыми заданными свойствами. Экспериментальные исследования адсорбции выявили такие эффекты, как выталкивание адатомами атомов подложки на поверхность с образованием поверхностных «островов» [1-3]. При этом поверхность испытывает значительную реконструкцию, что существенно сказывается на работе выхода электронов [4]. Особое внимание следует уделить температурным эффектам, определяющим магнитные свойства пленок и образование различных приповерхностных структур, что ведет к изменению величины работы выхода.
Данная работа посвящена изучению влияния температуры на работу выхода электрона с поверхности переходных металлов при адсорбции монослой-ной ферромагнитной пленки. В качестве подложки в данной работе были выбраны плотноупакованные грани меди Cu(111) и вольфрама W(110). Исследовано влияние процессов перемешивания атомов пленки с приповерхностными атомами подложки в зависимости от величины параметра покрытия.
Результаты расчетов при T = 0
Работа выхода электрона определяется выражением
Р= Pd- £f, (1)
где - высота дипольного потенциального барьера, энергия Ферми при температуре T = 0 соответствует химическому потенциалу ер = ц.
Были проведены первопринципные расчеты работы выхода электрона с плотноупакованной грани поверхности меди с использованием программного пакета VASP с применением приближения PAW PBE [5; 6]. Рассмотренная структура состояла из пяти моноатомных слоев меди и ферромагнитной пленки толщиной в один атом, расположенной с обеих сторон пластины. Система моделировалась с помощью периодической 7-атомной суперя-чейки 1 х 1 для ГЦК-структуры меди.
Рассчитанные значения работы выхода электрона
Система <pV0asp, эВ/ат <pVasp т^магн > эВ/ат V, эВ/ат
Cu 4,855 4,88
Ni/Cu 5,1492 5,1174 6,2844
Co/Cu 5,2417 5,1265 6,4955
Fe/Cu 5,3055 4,9115 6,5479
В таблице представлены результаты перво-принципных расчетов работы выхода электрона с
-ISSN 1812-3996
чистой поверхности меди и для систем: Ni/Cu, Co/Cu и Fe/Cu - при в = 1 и Т = 0 с учетом ф^ат и без учета vlasp намагниченности пленки. Можно заметить, что наличие на поверхности меди монослойной пленки переходного металла приводит к увеличению работы выхода электрона, но ферромагнитное упорядочение в пленке несколько уменьшает эту разницу. Сравнение результатов расчета в VASP и в рамках вариационного подхода [3] показывает, что наблюдается качественное согласие. Количественные различия обусловлены тем, что в вариационном подходе учет электрон-ионного взаимодействия проводится в первом порядке теории возмущения. Кроме того, в вариационном подходе подложка моделируется полубесконечным металлом, а в VASP - пластиной. Так, разница работы выхода электрона с поверхности пластины меди толщиной в пять и семь монослоев составляет около 1 %.
Влияние температурных эффектов
Влияние температуры в данной работе проводится в рамках модели описания адсорбции вариационным методом функционала спиновой плотности [1]. Формулу (1) можно переписать в виде
ср(в,Т)= <pD(ß(T),e)-р(Т) , (2)
где в - степень заполнения адатомами поверхности подложки, ß - вариационный параметр, определяемый из минимума функционала свободной энергии, зависящего от относительной намагниченности системы m(T). Для описания температурной зависимости m(T) применялась модель Изинга и XY модель [7].
<Ро(в)= <Po + <P?í+<PSeí + <Peí , (3) где ф0 высоту потенциального барьера в модели «желе» можно записать в следующем виде:
4ЛП1
ß2
(4)
где П1 - объемная электронная плотность подложки. Электрон-ионные вклады в высоту потенциального барьера рассчитываются по следующим формулам:
4пщ е-Р(2о+1+К)е-ра1/2
Ф'е
Ге
ß2 2-e-ß(2D + l+h+dt)
-2sh(ßd1/2)} - для металлической подложки;
4пп2 e-ß(2D+h)eßl/2
{ßdi ch(ßrci)-
'l ß2 2-e-ß(2D+l+h+dt)
- 2sh(ßl/2)} для приповерхностного слоя;
ißlch(ßrc2)-
4ппо
-ßh/2
ß2 2-e-ß(2D + l+h+d1)
-2sh(ßh/2)}
[ßh ch(ßrc3)-
e
ISSN 1812-3996 -
- для пленки адсорбата.
Химический потенциал ^ электронного газа с учетом обменно-корреляционных и псевдопотенциальных поправок принимает вид
тт2 / ьт \ 21
р(Т) = ц(Т = 0) 1
яУ кТ \
12 \ß(T=0)J
(5)
ß(T = 0) = 0,5(3^2п1)2/3 -
1/3
_ 0,056 п2/3 +0 005^/3 _0,4712/з(1^)1/Э + 41.
(0,079+ п1/3)2 1 4 3 ' 11
На (рис. 1-4) приведены результаты расчета работы выхода электрона с поверхности меди и вольфрама при адсорбции пленки Со и N1 в зависимости от параметра покрытия для различных температур.
— OK
• 100K
—А— 200K
зоок
♦ 400K
4 500K
0.6 ОД
0
Рис.
1. Зависимость работы выхода ф (а); параметра перемешивания Р (б) от параметра покрытия в для системы при различных температурах
б
0,6 0.6
о
Рис. 2. Зависимость работы выхода <р (а); параметра перемешивания Р (б) от параметра покрытия в для системы Ni/Cu
Рис. 3. Зависимость работы выхода ф (а); параметра перемешивания P (б) от параметра покрытия в для системы Co/W
б
а
а
б
а
Вестник Омского университета 2017. № 2(84). С. 51-55
-ISSN 1812-3996
«И
* 5,6 5.4 5,2 5,0 <.8 <,6 4.4 Ч>4.2 4.0 3.8 3.6 3.4 3.2 3.0 2.8
■ OK
• 100K
—A— 200K
V 300K
0.6 0.8 О
Рис. 4. Зависимость работы выхода ф (а); параметра перемешивания Р (б) от параметра покрытия в для системы при различных температурах
б
Можно заметить на рис. 1,о, что ферромагнитное упорядочение приводит к росту работы выхода с увеличением параметра покрытия б. Для парамагнитного случая наблюдается обратная тенденция, обусловленная образованием «сэндвич»-структуры с Р = 0, как видно на рис. 1,6 для б < 0,8 и T > 0. На рис. 2,6 наблюдаем рост параметра перемешивания P с ростом параметра покрытия б. Видно, что температура не влияет на поведение p, это связано с тем, что структуры никеля и меди схожи и поверхностные энергии почти равны. Из рис. 2,а можно заметить, что для всех температур активированная адсорбция увеличивает работу выхода электрона.
На рис. 3,6 мы видим ту же зависимость, что и для Ni/Cu. На рис. 3,а видно, что работа выхода ф для всех температур увеличивается с увеличением параметра покрытия б и для всех температур активированная адсорбция увеличивает работу выхода электрона.
На рис. 4,6 видно, что для высоких температур P = 1, что соответствует образованию непрерывной пленки. На рис. 4,а заметно, что для всех температур работа выхода ф увеличивается с увеличением пара-
метра покрытия б. Такое поведение никеля на вольфраме вызвано тем, что их поверхностные энергии различны и различны их кристаллические структуры.
Выводы
В данной работе было проведено исследование влияния на величину работы выхода электрона с поверхности металла адсорбции монослойных ферромагнитных пленок и температурных эффектов.
Адсорбция ферромагнитных тонких пленок на поверхности меди при T = 0 приводит к увеличению величины работы выхода электрона с поверхности системы.
Проведенные расчеты показали, что для всех рассмотренных систем увеличение температуры приводит к уменьшению работы выхода во всей области значений параметра покрытия б.
Проведенные исследования с учетом температуры позволяют сделать общий вывод, что работа выхода электрона с поверхности подложки существенно зависит от вида поверхностных структур образующихся при адсорбции пленок, обусловленных сходством или различием типов решетки и поверхностных энергий материалов пленки и подложки.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Мамонова М. В., Прудников В. В., Прудникова И. А. Физика поверхности. Теоретические модели и экспериментальные методы. М. : ФИЗМАТЛИТ, 2011. 400 с.
2. Мамонова М. В., Прудников В. В., Климов С. П. Описание активированной адсорбции магнитных ионов на поверхности твердых тел с образованием ультратонких ферромагнитных пленок // Вестн. Ом. ун-та. 2010. № 4. С. 52-56.
3. Мамонова М.В., Прудников В.В. Разработка методики расчета работы выхода электронов с поверхности металлов // Физика металлов и металловедение. 1998. Т. 86, № 2. С. 33-39.
4. Stampft C, Neugebauer J., Scheffler M. Alkali-metal adsorption on close-packed metal surfaces // Surf. Rev. and Lett. 1995. Vol. 2. P. 317-340.
Вестник Омского университета 2017. № 2(84). С. 51-55
ISSN 1812-3996-
5. Blochl P.E. Projector augmented-wave method // Phys. Rev. B. 1994. Vol. 50. P. 17953-17979.
6. Kresse G., Marsman M., Furthmuller J. VASP the guide: Introduction. Computational Materials Physics / Faculty of Physics, Austria: Universitat. Wien, 2016. URL: http://cms.mpi.univie.ac.at/vasp/vasp/vasp.html.
7. Vaz C. A. F., Bland J. A. C., Lauhoff G. Magnetism in ultrathin film structures // Reports on Progress in Physics. 2008. Vol. 71. P. 056501.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Мамонова Марина Владимировна - кандидат физико-математических наук, доцент, доцент кафедры теоретической физики, Омский государственный университет им. Ф. М. Достоевского, 644077, Россия, г. Омск, пр. Мира, 55а; e-mail: mamonova_mv @mail.ru.
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Mamonova Marina Vladimirovna - Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Docent, Docent of the Chair of Theoretical Physics, Dostoevsky Omsk State University, 55a, pr. Mira, Omsk, 644077, Russia; e-mail: mamonova_mv@mail.ru.
Кожахметов Саят Зинатович - магистрант, кафедра теоретической физики, Омский государственный университет им. Ф. М. Достоевского, 644077, Россия, г. Омск, пр. Мира, 55а; e-mail: sayatanama@mail.ru.
Kogahmetov Sayat Zinatovich - graduate student, the Chair of Theoretical Physics, Dostoevsky Omsk State University, 55a, pr. Mira, Omsk, 644077, Russia; e-mail: sayatanama @mail.ru.
Фомин Петр Александрович - магистрант, кафедра теоретической физики, Омский государственный университет им. Ф. М. Достоевского, 644077, Россия, г. Омск, пр. Мира, 55а; e-mail: petya_fomin@ mail.ru.
Fomin Petr Aleksandrovich - graduate student, the Chair of Theoretical Physics, Dostoevsky Omsk State University, 55a, pr. Mira, Omsk, 644077, Russia; e-mail: petya_fomin @mail.ru.
ДЛЯ ЦИТИРОВАНИЯ
Мамонова М. В., Кожахметов С. З., Фомин П. А. Расчет работы выхода электрона с поверхности меди и вольфрама при адсорбции монослойных ферромагнитных пленок // Вестн. Ом. ун-та. 2017. № 2(84). С. 51-55.
FOR CITATIONS
Mamonova M.V., Kogahmetov S.Z., Fomin P.A. Calculation of electron work function from the surface of copper and tungsten with the adsorption of a monolayer of ferromagnetic films. Vestnik Omskogo universiteta = Herald of Omsk University, 2017, no. 2(84), pp. 51-55. (in Russian).
