Введение.................................................................3
Глава 1. Обзор методов и результатов исследований ультрагонких магнитных пленок........................................................10
1.1 Основные достижения и исследованиях ультрагонких магнитных пленок и их практическое применение.............................................10
1.2 Особенности свойств ультрагонких ферромагнитных пленок............12
1.3 Основные методы описания поверхностных свойств веществ............22
1.4 Исходные уравнения метода функционала плотности...................28
Глава 2. Описание метода функционала спиновой плотности с
учетом эффектов ферромагнитного упорядочения............................38
Глава 3. Результаты расчета энергии неактивированной адсорбции
магнитных ионов на парамагнитной подложке...............................56
Глава 4. Результаты расчета энергии активированной адсорбции
магнитных ионов на парамагнитной подложке...............................78
4.1 Основные уравнения и методика расчета.............................79
4.2 Анализ результатов расчета........................................86
4.3 Учет тепловых эффектов............................................91
Заключение..............................................................94
Список литературы.......................................................97
2
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, № 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
3
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 на кристаллическую структуру пленки. Тем не менее, неизбежные несовершенства и неровности этих подложек будут до некоторой степени определять равновесные расположения но 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
4
(local spin density approximation, LSDA). В этом методе многоэлектронная задача о кристалле расщепляется на две: на многоэлектроиную задачу об однородном электронном газе и на одноэлектронную задачу о кристалле.
Первая может быть решена достаточно строгими численными методами. Это решение позволяет определить эффективный потенциал (зависящий от зарядовой и спиновой плотности), который, в свою очередь, полностью определяет электронную структуру. При этом важно иметь в виду, что исходно метод функционала плотности ориентирован на расчет полной энергии системы и тех характеристик, которые с нею связаны (например, фазовой диаграммы, равновесных значений постоянных кристаллической решетки, которые обеспечивают минимум энергии, модулей упругости производных от энергии по сдвиговым деформациям и так далее). Как правило, такие расчеты оказываются успешными, и их результаты хорошо согласуются с экспериментом [16].
Не менее успешно метод функционала спиновой плотности применяется для изучения поверхностных свойств зеществ: расчета поверхностной энергии материалов, работы выхода электрона, энергетических характеристик контакта различных материалов, параметров разнообразных поверхностных структур [14,17]. Результаты расчета энергии адсорбции, работы выхода электрона с поверхности адсорбата, полученные в рамках МФП, как правило хорошо соотносятся с результатами экспериментов. Однако в рамках данного метода оставался неизученным вопрос о влиянии поверхности на магнетизм ультратоиких ферромагнетных пленок и влиянии температурных эффектов на величину энергии адсорбции при образовании данных пленок.
Целями работы являются:
1. Разработка методики теоретического описания процесса адсорбции и расчета структурных и энергетических характеристик для случаев активированной и неактивированной адсорбции монослойиых
5
\
ферромагнитных пленок на основе метода функционала спиновой плотности с учетом эффектов магнитного упорядочения и влияния температуры
2. Исследование влияния магнитного упорядочения и температуры на структурные характеристики и величину энергии адсорбции на примере монослойных пленок переходных металлов железа, никеля и кобальта при их образовании на немагнитной медной подложке
3. Выявление условий реализации островковой адсорбции переходных металлов на парамагнитной подложке
4. Исследование условий реализации активированной (заместительной) адсорбции, характеризующейся процессами взаимного перемешивания ионов адсорбата и подложки
Научная новизна результатов заключается в следующем:
1. Впервые осуществлено теоретическое описание влияния температуры и эффектов ферромагнитного упорядочения как на неактивированную адсорбцию, так и активированную (заместительную) адсорбцию магнитных ионов переходных металлов Ре, Со, № на немагнитной металлической подложке с образованием субмонослойной ферромагнитной пленки. Впервые показано, что учет эффектов ферромагнитного упорядочения оказывает существенное влияние на величину энергии адсорбции, приводя к ее заметному увеличению.
2. Впервые теоретически показано, что образование устойчивых субмонослойных ферромагнитных пленок при неактивированной адсорбции может осуществляться лишь на рыхлых гранях металлических подложек, что обосновывает наблюдаемую лишь "островковую" адсорбцию ионов металла на плотноупакованных гранях металлических поверхностей.
3. Впервые показано, что ферромагнитное упорядочение в монослойной пленке адсорбата стимулирует заместительные процессы с ростом
6
температуры и приводит к реализации различных поверхностных адсорбционных структур с изменением параметра покрытия 0.
4. Впервые выявлено, что учет эффектов реконструкции поверхности при активированной адсорбции приводит к увеличению значений энергии адсорбции по сравнению с энергией неактивированной адсорбции.
Научная и практическая значимость работы определяется широкой областью применения результатов проведенных исследований: магнитоэлектроника, спинтроника, физика поверхностных явлений и магнитных фазовых переходов. Большой практический интерес к ультратоиким магнитным пленкам связан с открытием явления гигантского магнитосопротивления в магнитоупорядоченных пленках. Эффект гигантского магнитосопротивления в ультратонких магнитных пленках, в отличие от объемных образцов, может быть реализован при комнатных температурах, т.к. температура ферромагнитного упорядочения в ультратонкой пленке зависит от ее толщины.
Выявленные в процессе проведенных исследований эффекты заметного увеличения энергии адсорбции на АЕабз ~ 2 - 2.5 эВ при ферромагнитном упорядочении в пленке адсорбата могут служить дополнительным экспериментальным критерием установления ферромагнетизма в пленках на основе изучения адсорбционных характеристик системы.
Представленос в исследованиях теоретическое обоснование наблюдаемой лишь "островковой" адсорбции ионов Гс, Со, N1 на плотноупакованных гранях металлических поверхностей может служить важным указанием на то, что островкая адсорбция данных магнитных ионов может привести к реализации уникальной равновесной системы поверхностных нанокластеров, обладающих "сунерпарамагнитными" свойствами и активно реагирующими даже на слабые внешние магнитные поля.
7
Выявленные условия реализации процессов перемешивания магнитных ионов адсорбата с ионами немагнитной подложки позволяют характеризовать качество межфазной границы раздела, что существенно может сказаться на величине коэффициента магнитосопротивления в мультислойных магнитных структурах на основе данных материалов.
Полученные в диссертации новые результаты позволяют понять влияние поверхности на магнетизм ультратонких ферромагнитных пленок и влияния температурных эффектов на характеристики адсорбционных процессов при образовании данных пленок.
Содержание работы. Работа состоит из четырех глав. Первая глава посвящена обзор существующих представлений о структуре ультратонких магнитных пленок, моделей, описывающих ферромагнитное упорядочение в пленках, данные о характерных критических температурах магнитного упорядочения. Представлены существующие теоретические подходы к описанию поверхностных явлений и изложены основные принципы метода функционала электронной плотности. Во второй главе в рамках метода функционала спиновой плотности осуществлена разработка теоретического описания адсорбции магнитных ионов на металлической поверхности с учетом эффектов ферромагнитного упорядочения в моноатомной пленке адсорбата и влияния температуры на эти процессы. В третье главе рассмотрено четыре модельных варианта реализации неактивированной адсорбции ионов переходных металлов на парамагнитной подложке. В четвертой главе в рамках метода функционала спиновой плотности разработана модель описания заместительной адсорбции ионов переходных металлов на парамагнитной подложке с учетом температурных эффектов. Положения, выносимые па защиту.
1. Метод теоретического описания влияния температуры и эффектов ферромагнитного упорядочения на адсорбцию магнитных ионов на
- Київ+380960830922