Теоретическое описание адсорбции магнитных ионов на металлических поверхностях с образованием субмонослойных ферромагнитных пленок в рамках метода функционала спиновой плотности

• Автор: Морозов, Николай Сергеевич
• Шифр специальности: 01.04.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Омск
• Количество страниц: 106 с. : ил.

Введение

Глава 1. Обзор методов и результатов исследований ультратонких магнитных пленок

1.1 Основные достижения в исследованиях ультратонких магнитных пленок и их практическое применение

1.2 Особенности свойств ультратонких ферромагнитных пленок

1.3 Основные методы описания поверхностных свойств веществ

1.4 Исходные уравнения метода функционала плотности

Глава 2. Описание метода функционала спиновой плотности с

учетом эффектов ферромагнитного упорядочения

Глава 3. Результаты расчета энергии неактивированной адсорбции

магнитных ионов на парамагнитной подложке

Глава 4. Результаты расчета энергии активированной адсорбции

магнитных ионов на парамагнитной подложке
4.1 Основные уравнения и методика расчета
4.2 Анализ результатов расчета
4.3 Учет тепловых эффектов
Заключение
Список литературы

Введение
Актуальность исследования. Ультратонкие магнитные пленки являются объектом интенсивных исследований, что во многом определяется возможностями применения ферромагнитных пленок в микроэлектронике и вычислительной технике в качестве магнитных носителей для записи и хранения информации в запоминающих устройствах [1-5]. Магнитные пленки обладают рядом уникальных особенностей, способствующих
повышению плотности записи информации и быстродействия
запоминающих устройств. На основе тонких магнитных пленок разрабатываются также конструкции различных управляемых устройств в СВЧ-диапазоне: фильтров, амплитудных модуляторов, ограничителей
мощности, фазовых манипуляторов. Наряду с этим изучение физических свойств ферромагнитных пленок носит фундаментальный характер,
обусловливая развитие как физики магнитных явлений, так и физики поверхностных явлений. К настоящему времени изучению магнитного упорядочения в ультратонких пленках Ре, Со, N1 посвящено множество экспериментальных работ [6-11], в которых установлено, что при некоторой эффективной толщине пленок в них устанавливается дальний ферромагнитный порядок. Однако природа и закономерности этого явления в ультратонких пленках остаются не вполне ясными. Основная трудность обобщения и адекватного описания экспериментальных результатов связана со сложным характером процесса роста таких пленок, морфология и свойства которых сильно зависят от множества факторов и, в частности, от типа подложки (материал, кристалличность, ориентация поверхности, ее чистота, температура и т. д.) и условий роста. Для того чтобы результаты эксперимента были воспроизводимы, необходимо в ходе их выполнения тщательно контролировать множество параметров. Также поведение тонких магнитных пленок может значительно отличаться от поведения массивных

материалов [12]. Во-первых, в противоположность внутренним электронным спинам поверхностные спины находятся в структуре с более низкой симметрией, так как они имеют соседей только со стороны пленки. Во-вторых, расположение атомов в нескольких слоях, ближайших к подложке, зависит от природы подложки и температуры, которую она имела при осаждении пленки. Подложками для поликристаллических пленок обычно могут быть аморфные вещества, например, стекло или кварц, которые не могут существенно влиять па кристаллическую структуру пленки. Тем не менее, неизбежные несовершенства и неровности этих подложек будут до некоторой степени определять равновесные расположения по крайней мере первых слоев атомов во время осаждения. Другая же сторона пленки подвержена действию остаточных газов во время напыления, а впоследствии - и воздуха. Вследствие этого может происходить дальнейшее окисление поверхностных слоев, что в дальнейшем также сказывается на свойствах тонких пленок.
Отметим, что в ходе экспериментальных исследований образования субмонослойных металлических пленок и распределения атомов металла на поверхности подложки были выявлены [13,14,15] эффекты выталкивания адсорбированными атомами металла атомов субстрата на поверхность с реализацией заместительной адсорбции, а также поверхностных фазовых переходов с образованием „островов“ из адсорбируемых атомов металла. Что же касается развития физических представлений о механизме образования устойчивых ультратонких пленок и установления в них магнитного порядка, то существенным моментом является учет топологии таких пленок, т. е. их строения с учетом геометрии и магнитных свойств „островков“, состоящих из атомов переходных металлов.
Основой для количественного микроскопического описания магнитных свойств и электронной структуры веществ является метод функционала плотности (МФП), обычно в приближении локальной спиновой плотности

где потенциал Кона-Шэма определяется выражением:
vA'i- (О = O') + уи(г) + vxc (г)
п{г')

vH = J dr' уЛг) - ■
Sn(r)

Система уравнений (1.22) и есть известное уравнение Кона-Шэма. Как видно, оно имеет вид одночастичного уравнения Шредингера для частицы, движущейся в самосогласованном потенциале, структура которого видна из выражения vKs . Смысл первых двух слагаемых, определяющих потенциал, был определен выше. Все отличие от уравнения Хартри содержится в обменно-корреляционном потенциале, а также в интерпретации собственного значения ею . Уравнение Кона-Шэма может рассматриваться как формальное обобщение теории Хартри. Если бы было известно точное выражение для обменно-корреляционной энергии, то мы имели бы способ точного описания многоэлектронных эффектов. Поэтому объемно — корреляционный потенциал играет очень большую роль в этой теории.
Как оказалось, для обменно-корреляционной энергии можно найти удачную аппроксимацию, которая и обуславливает успех теории Кона-Шэма в практических применениях. Наиболее простая — это так называемая локальная аппроксимация плотности (local-density approximation или LDA). Это выражение получается, если
КШ = f drvjn(r))n(r) (1.23)
Имеется интерполяционная формула, позволяющая получить выражение для обменно-корреляционой энергии, справедливое при любой плотности [78,79], проверенное прямым вычислением методом Монте-Карло и справедливое с точностью 1%: