Зависимость характеристик ультратонких магнитных пленок от ориентации граней подложки

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Зависимость характеристик ультратонких магнитных пленок от ориентации граней подложки

И.А. Прудникова

Аннотация

На основе метода функционала спиновой плотности с введением многопараметрических пробных функций было проведено теоретическое исследование зависимости энергетических характеристик, а так же пространственного распределения намагниченности для монослойных пленок железа и кобальта на металлических подложках Au, Ag, Pt, Cu в зависимости от ориентации поверхностной грани подложки. Параметры пробных функций, характеризующие степень спадания электронной плотности и перемешивания атомов пленки и подложки, определялись из условия минимума функционала межфазной свободной энергии, являющейся сложной функцией температуры и параметра покрытия ?. Для описания температурной зависимости намагниченности m(T,?) применялись приближения двумерной модели Изинга и ХY модели. Проведенные расчеты показали, что в области больших значений параметра покрытия ? энергия адсорбции Eads для грани (110) больше чем для грани (111), при малых значениях параметра покрытия ? в зависимости от материала разница составляет примерно 50%. Разница между парамагнитной и ферромагнитной фазой имеет обратную зависимость и максимальна для грани (111), а минимально для грани (110) для всех рассматриваемых систем.

Ключевые слова: активированная адсорбция, магнитные ультратонкие пленки.

Одна из задач исследований в области наноразмерных структур 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. Экспериментальные данные показывают [1], что на границе ферромагнитной пленки и благородного металла можно создать искусственную анизотропию типа «легкая ось», поэтому магнитные свойства тонких пленок железа и кобальта на подложках из платины, золота и меди вызывают повышенный интерес [1-6].

Поскольку пространственное распределение атомов напыляемой монослойной пленки характеризуется повторением симметрии поверхностной грани подложки, то изменение ориентации поверхностной грани подложки может существенно повлиять на характеристики напыляемой пленки. Возросшие к настоящему времени технологические возможности получения металлических подложек с различной ориентацией поверхностных граней показывают важность теоретического описания свойств данных поверхностных систем.

При адсорбции металлов температурные эффекты могут привести к перемешиванию атомов пленки и подложки [2], 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.

В данной работе представлены результаты теоретических расчетов энергетических и магнитных характеристик для магнитных монослойных пленок Fe и Co на подложках из Au, Ag, Pt и Cu при различных ориентациях их поверхностной грани. Теория применяющейся модели подробно описана в [2,3], поэтому приведем основные полученные результаты.

Рис. 1. Зависимость энергии адсорбции Eads эВ/ат от параметра покрытия на грани (111) и (110) для системы Fe/Au при различных температурах

Рис. 2. Зависимость энергии адсорбции Eads эВ/ат от параметра покрытия на грани (111) и (110) для системы Fe/Pt при различных температурах

Рис. 3. Зависимость энергии адсорбции Eads эВ/ат от параметра покрытия на грани (111) и (110) для системы Co/Pt при различных температурах

Проведенные расчеты энергии адсорбции (рис. 1-3) показали, что Eads для грани (110) больше чем для грани (111). При малых значениях параметра покрытия ?, в зависимости от материала, разница составляет примерно 50%. Разница между парамагнитной и ферромагнитной фазой имеет обратную зависимость и максимальна для грани (111), а минимальна для грани (110) для всех рассматриваемых систем.

Рис. 4. Пространственное распределение намагниченности при Т=100K для граней (100) и (110) для системы Co/Pt при различных параметрах покрытия

Рис. 5. Пространственное распределение намагниченности при Т=100K для граней (100) и (110) для системы Co/Сu при различных параметрах покрытия

Рис. 6. Пространственное распределение намагниченности при Т=100K для граней (111) и для систем Co/Pt и Co/Сu при различных параметрах покрытия

магнитный пленка подложка

Анализ результатов расчета пространственного распределение намагниченности (рис. 4-9) позволит определить условия образования стабильной непрерывной пленки. Так для системы Co/Pt при температуре T=100 K (рис. 4) пик распределения намагниченности находится в области пленки для грани (100) только при ? = 1, для грани (110) для значений ? = 0.7 и ? = 1, а для грани (111) (рис. 6а) при всех значениях параметра покрытия. С повышением температуры до T=300 K меняется поведение только для грани (100), при этой температуре пики распределения намагниченности находятся в области пленки при всех значениях параметра покрытия. Для системы Co/Cu (рис.5) при температуре T=100 K для грани (100) и (110) пик распределения намагниченности находится в области пленки только при значениях параметра покрытия ? = 1. На грани (111) (рис. 6б) пик распределения намагниченности находится в области пленки при всех исследуемых значениях температуры и параметра покрытия.

Рис. 7. Пространственное распределение намагниченности при Т=100K для граней (111) и (110) для системы Fe/Pt при различных параметрах покрытия

Рис. 8. Пространственное распределение намагниченности при Т=100K для граней (111) и (110) для системы Fe/Ag при различных параметрах покрытия

Рис. 9. Пространственное распределение намагниченности при Т=300K для граней (111) для систем Fe/Pt и Fe/Ag при различных параметрах покрытия

Пики намагниченности для системы Fe/Pt (рис.7) для грани (111) находятся в пленке, при T=100K при ? = 0,7 и ? = 1, а для грани (110) только при ?=1. Для грани (111) при T=300K (рис. 9а) пик в пленке при всех значениях параметра покрытия. Температура T=300 K больше критической температуры при значении параметра покрытия ? = 0.5, поэтому, намагниченность в системе отсутствует. Для системы Fe/Au пространственное распределение намагниченности имеет аналогичный вид. Для системы Fe/Ag (рис.8) образуется структура типа "сандвич" для значений параметра покрытия ?<0.8, с ростом ? происходит формирование монослойной пленки.

Для систем Fe/Ag и Fe/Au были выявлены сильные процессы перемешивания, характеризуемые вытеснением ионами железа ионов серебра и золота на поверхность и образованием плоскости из ионов железа в первом приповерхностном слое с наружной пленкой из атомов серебра или золота. Такое поведение обусловлено тем, что золото и серебро кристаллизуются в виде ГЦК-структур, т.е. симметрия их решетки отличается от ОЦК-структуры для железа, характеризующейся основным ферромагнитным состоянием. При этом, поверхностные энергии для рыхлых и плотноупакованных граней Au и Ag характеризуются меньшими значениями, чем поверхностная энергия для железа, так например: ?Fe(111)=2170 ± 330 мДж/м2, ?Ag(111)=1205 ± 90 мДж/м2, ?Au(111)= 1410 ± 80 мДж/м2, причем различия в поверхностных энергиях железа и серебра являются наибольшими.

Таким образом, проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы. Для всех исследованных систем на грани (110) при малых значениях параметра покрытия ? наблюдалось сильное перемешивание атомов адсорбата и субстрата, при увеличении параметра покрытия ??1 атомы адсорбата формируют монослойную пленку при значениях температуры T<Tc. Для грани (100) при малых значениях параметра покрытия формируется структуры типа "сандвич", а с ростом ? происходит формирование монослойной пленки. Для грани (111) для всех систем, за исключение системы Fe/Ag происходит постепенное формирование пленки с ростом параметра покрытия и температуры, при этом с увеличением температуры происходит увеличение значения ? для формирования монослойной пленки. Для системы Fe/Ag пики распределения намагниченности преимущественно находятся в приповерхностном слое. Результаты наших исследований демонстрируют хорошее согласие с полученными экспериментально СТМ изображениями при осаждении пленки Co на поверхностях подложек Cu(100) [5] и Pt(100) [6].

Библиографический список

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.

Мамонова М.В., Прудников В.В., Прудникова И.А. Физика поверхности. Теоретические модели и экспериментальные методы. Москва: Физматлит, 2011. 400 с.

Прудникова И.А., Мамонова М.В., Стогова М.О. Влияние ориентации поверхностной грани на энергетические и магнитные характеристики активированной адсорбции монослойной пленки железа // Вестник ОмГАУ. 2015. №2. С. 60-70.

He K., Zhang L.J., Ma X.C., Jia J.F., Xue Q.K., Qiu Z.Q.. Growth and magnetism of ultrathin Fe films on Pt(100)//Physical Review Letters. 2005. Vol. 72., P.155432.

Размещено на Allbest.ru