Введение к работе
' Аістуальность проблемы. Кластеры на подложках и ультратонкие пленки ряда металлов представляют большой интерес в качестве перспективных носителей магнитной информации. Резкое усиление интереса к этим объектам связано с недавним теоретическим предсказанием и экспериментальным подтверждением возникновения высоких магнитных моментов у атомов ряда немагнитных металлов на немагнитных подложках.
Результаты экспериментальных и теоретических работ в области кластерной физики показывают, что уникальные магнитные свойства низкоразмерных систем связаны с взаимным расположением атомов, в связи с чем возникает проблема определения структуры этих систем. Современные методы определения геометрии кластеров в эксперименте основаны на косвенных признаках и обладают низкой точностью. Поэтому молекулярно-динамическое (МД) моделирование с использованием полуэмпирических потенциалов, позволяющие рассчитывать характеристики наноструктур на основании использования тех или иных экспериментальных или теоретических данных стало одним из наиболее перспективных методов изучения строения наноструктур на подложках. Этот метод оказался перспективным и для решения других актуальных проблем физики ультратонких пленок. Так одна из основных технологических проблем при получении тонких пленок состоит в определении условий послойного роста. В последнее время при проведении экспериментов по напылению тонких пленок активно применяется процедура лазерного напыления. Главное преимущество этой методики заключается в том, что становится возможным получение молекулярных пучков любого элемента с практически любой энергией. Особую важность представляют структурные и физические свойства пленок, получаемых в результате лазерного напыления. Молекулярно динамические (МД) методы позволяют определять структуру тонких пленок при разных значениях энергии напыляемых атомов.
Известно, что при определении характеристик взаимного расположения атомов методом МД динамики необходимо учитывать межатомное взаимодействие. В последнее время показано, что популярные еще несколько лет назад парные потенциалы в ряде случаев приводят к получению неадекватных данных. Это особенно существенно в тех случаях, когда релаксация атомов достаточно велика. Поэтому взаимодействие в данной работе описывалось наиболее разработанными в последнее время многочастичными потенциалами, построенными в рамках методов погруженного атома (МПА) и метода сильной связи в приближении второго момента (потенциал Россато-Жиллоп-Легранд -РЖЛ). Однако распространенные методы нахождения их параметров, использующие для этой цели только экспериментальные данные о
свойствах в объеме, не обеспечивают правильного описания поверхности и наноструктур. Поэтому оказалось актуальным провести специальную работу по анализу и совершенствованию процедуры определения параметров этих потенциалов. Оказалось, что для корректного определения параметров смешанных взаимодействий необходимо опираться не только на результаты тех или иных экспериментов, но и на результаты адекватных первопринципных расчетов. Кроме того, должен быть проведен анализ возможности использования для определения указанных параметров результатов экспериментов и первопринципных расчетов, выполненных для объёма.
В настоящей работе на примере системы Со - Си разработана новая методика исследования свойств кластеров и тонких пленок в случае смешанных систем, основанная на использовании данных первопринципных Корринга-Кона-Ростокера (ККР) расчетов в рамках локального приближения теории функционала электронной плотности для определения параметров межчастичных взаимодействий.
Цель работы. Основные цели данной работы: а) установление типа устойчивых гомоатомных кластеров на соответствующих подложках на примере №/№(001), Си/Си{00\), Pd/Pd{00l), Ag/Ag(00Y), Pt/Pt(001), Аи і Аи(0й1) и Pt I Pt{\ 11), и выяснение физических факторов, определяющих структурные характеристики этих кластеров, в том числе - магические числа; б) разработка нового метода определения параметров межчастичных взаимодействий в случае смешанных систем; в) установление характерных процессов, происходящих в поверхностных монослоях при формировании гетеросистем на примере системы О?/Си(001), в которой стабильные твердые растворы в объёме не образуются.
Научная новизна. В настоящей работе разработана новая методика определения параметров многочастичных взаимодействий для смешанных систем (на примере Со-Си). Кроме экспериментальных характеристик в объёме (равновесное значение постоянной решетки, когезионная энергия и упругие модули) при определении параметров использовались данные первопринципных расчетов, полученные в рамках теории функционала плотности и метода ККР функций Грина. Принципиальное значение такого подхода связано и с тем, что в этом случае теоретические исследования могут быть проведены и для систем, не реализующихся в равновесном состоянии. Использованная обобщенная форма РЖЛ потенциала позволяет правильно воспроизводить как свойства системы в объёме, так и поверхностные свойства системы Со-Си.
Исследованы свойства адатомов и наноструктур Со в объёме и на поверхности Си с учетом релаксации. Данные по релаксации единичной примеси Со в объёме Си оказались в хорошем соответствии с
результатами первопринципных расчетов. Расчеты энергии системы показали, что атомы Со проникают в подложку 0(001), и это подтверждается в экспериментах с использованием сканирующей туннельной микроскопии {СТМ).
Впервые получены стабильные конфигурации малых кластеров Со на поверхности 0(001) с учетом релаксации.
Впервые в единой схеме определены структуры стабильных кластеров №Ш(001), Сн/0(001), Pd/Pd(O0\), AglAg(00\), Pt/Pt(00l), Ап/Аіі(О0]) и Pt/P/(IU), найдены конфигурации магических кластеров и показано, что они определяются структурой и симметрией подложки. Полученные данные согласуются с ранее полученными для Ni/ЩООі), Ag/Ag(00\), Л/Л(001).
Впервые с использованием иолуэмпирических потенциалов взаимодействия проведено исследование элементарных процессов прыжковой диффузии и обмена для атомов Со на поверхности 0(001). Рассмотрено влияние поверхностных напряжений. Показано, что при растяжении решетки энергетический барьер прыжковой диффузии увеличивается, а барьер обмена уменьшается.
Исследован процесс роста монослоев Со на поверхности 0/(001). Показано, что описанный подход позволяет получить ряд характеристик роста и структуры слоев в согласии с экспериментом.
Практическая ценность. Проведенное в работе развитие метода МД моделирования и полученные данные о строении наноструктур ряда металлов может быть использовано для изучения физических свойств нанообъектов и создания на этой основе нанотехнологий.
Положения, выносимые на защиту.
-
Определены стабильные конфигурации малых кластеров на поверхностях гцк(ООІ) и гцк(Ш) для однородных систем, и показано, что определяющее влияние на структурные характеристики малых кластеров оказывает структура подложки и симметрия межатомных связей.
-
Разработана новая методика определения параметров многочастичных РЖЛ потенциалов межчастичных взаимодействий для смешанных систем (на примере Со-Си), основанная на использовании не только экспериментальных данных, но и результатов первопринципных ККР расчетов. Этот подход позволяет воспроизводить как объёмные, так и поверхностные свойства.
-
Показано, на примере Col 0/(001), что материалы, несмешивающиеся в объёме, могут образовывать поверхностные сплавы. Установлено, что для атомов Со на поверхности 0/(001) энергетически выгодно образование кластеров в верхних слоях подложки и на поверхности.
4.. Определены стабильные конфигурации малых кластеров Со на , поверхности :С«(001) с учетом релаксации. Как и в случае однородных систем определяющее влияние на свойства кластеров оказывает подложка.
-
Расчитаны диффузионные барьеры для одиночного атома Со на сжатой и растянутой поверхности Сн(001). Показано, что при растяжении барьер прыжковой диффузии увеличивается, а барьер обмена уменьшается. Это означает, что внешнее приложенное напряжение может оказывать влияние на процесс роста тонких пленок.
-
Рассмотрен процесс роста монослоев Со на поверхности Си(001). Показано, что на начальной стадии напыления тонких пленок Со на поверхность Сн(001) происходит образование как стабильных, так и метастабильных конфигураций кластеров, причем определяющее влияние на режим роста пленок оказывает энергия напыляемых атомов. При высокой энергии напыляемых атомов Со, которая соответствует лазерному напылению, наблюдается тенденция к послойному росту, что находится в согласии с экспериментом.
Аппробаиия работы. Результаты работы были доложены на XV
Международной школе-семинаре "Новые магнитные материалы
микроэлектроники" (1996г., Москва, МГУ), на национальной конференции
РСНЭ (1997г. Москва), на научной конференции по применению РСНЭ
(1997г. Дубна), V международной конференции по наноструктурам (1998г.
Бирмингем, Великобритания), III международном симпозиуме по
металлическим пленкам (1998г. Ванкувер, Канада), конференции по
вычислительной физике (1998г. Гранада, Испания) и изложены в десяти
публикациях. "...;
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ, 1 статья принята в печать.
Объём работы^ Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав,; выводов и списка литературы. Она изложена на 112 страницах текста, содержит 71 рисунок, 11 таблиц, 117 библиографических названий.
