Введение к работе
Актуальность темы
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 [1-3]. 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 Fe, Co, Ni посвящено множество экспериментальных работ [4-6], 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. В ходе экспериментальных исследований образования субмонослойных металлических пленок и распределения атомов металла на поверхности подложки были выявлены 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 [7,8]. Что же касается развития физических представлений о механизме образования устойчивых ультратонких пленок и установления в них магнитного порядка, то много вопросов здесь остаются открытыми и являются предметом многочисленных исследований.
Основой для количественного микроскопического описания магнитных свойств и электронной структуры веществ является метод функционала плотности (МФП). МФП успешно применяется для расчета полной энергии системы и характеристик с ней связанных (фазовые диаграммы, параметры кристаллической решетки, модули упругости и т. д.). Не менее успешно МФП применяется для изучения поверхностных свойств веществ: расчета поверхностной энергии материалов, работы выхода электрона, энергетических характеристик контакта различных материалов, параметров разнообразных поверхностных структур [9,10]. Однако в рамках данного метода осталась неразработанной методика описания влияния поверхности на магнетизм ультратонких ферромагнитных пленок и влияния температурных эффектов на характеристики адсорбционных процессов при образовании данных пленок.
Цель работы
Разработка методики теоретического описания процесса адсорбции и расчета структурных и энергетических характеристик для случаев активированной и неактивирован-ной адсорбции монослойных ферромагнитных пленок на основе метода функционала спиновой плотности с учетом эффектов магнитного упорядочения и влияния температуры
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
Выявление условий реализации островковой адсорбции переходных металлов на парамагнитной подложке
Исследование условий реализации активированной (заместительной) адсорбции, характеризующейся процессами взаимного перемешивания ионов адсорбата и подложки
Научная новизна результатов
1) Впервые осуществлено теоретическое описание влияния температуры и эффектов ферромагнитного упорядочения как на неактивированную адсорбцию, так и активированную (заместительную) адсорбцию магнитных ионов переходных металлов Fe, Co, Ni 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 температуры и приводит к реализации различных поверхностных адсорбционных структур с изменением параметра покрытия .
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
Область применения результатов проведенных исследований: магнитоэлектроника, спинтроника, физика поверхностных явлений и магнитных фазовых переходов. Большой практический интерес к ультратонким 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 DEads 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.
Представленое в исследованиях теоретическое обоснование наблюдаемой лишь "островковой" адсорбции ионов Fe, Co, Ni 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 "суперпарамагнитными" свойствами и активно реагирующими даже на слабые внешние магнитные поля.
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.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Разработка теоретического описания влияния температуры и эффектов ферромагнитного упорядочения на адсорбцию магнитных ионов на немагнитной металлической подложке при образовании субмонослойной пленки.
-
Разработка метода теоретического описания влияния температуры и эффектов ферромагнитного упорядочения на процессы перемешивания в приповерхностной области магнитных ионов адсорбата и подложки и на величину энергии адсорбции.
-
Определение условий образования устойчивых магнитных моноатомных пленок и различных видов адсорбционных структур.
Личный вклад заключается в непосредственном участии на всех этапах научно-исследовательской работы по теме диссертации: в постановке задач исследования, проведении аналитической и вычислительной работы на ПЭВМ, анализе и обсуждении результатов расчета.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской конференции "Современные проблемы термодинамики и теплофизики" (Новосибирск, 2009), на ХХХIV региональной научно-практической студенческой конференции (Омск, 2010), на научных семинарах кафедры теоретической физики ОмГУ.
Публикации
Список публикаций автора по теме диссертационной работы включает 9 статей и тезисов докладов, опубликованных в российских журналах, сборниках трудов и материалах конференций.
Структура и объем диссертации
