Влияние шероховатости поверхностей на активированную адсорбцию плёнки железа на вольфраме

ФИЗИКА

Вестн. Ом. ун-та. 2014. № 2. С. 69-71.

УДК 539.612

М.В. Мамонова, П.Ю. Ежков

ВЛИЯНИЕ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТЕЙ НА АКТИВИРОВАННУЮ АДСОРБЦИЮ ПЛЁНКИ ЖЕЛЕЗА НА ВОЛЬФРАМЕ

В рамках метода функционала спиновой плотности с учётом температурных эффектов исследовано поведение полной межфазной энергии и относительной доли атомов адсорбата в плёнке для монослойной ферромагнитной плёнки железа, расположенной на вольфраме (110). Был проведён учёт влияния шероховатости поверхностей и эффектов перемешивания адатомов с атомами подложки.

Ключевые слова: адсорбция, металлические плёнки, метод функционала плотности, межфазная энергия.

Исследование поверхностных свойств материалов и энергетических характеристик адсорбции атомов и молекул различных веществ является актуальной проблемой как с точки зрения фундаментальных представлений об изменении свойств кристаллов в приповерхностной области, так и с прикладной точки зрения модификации свойств материалов за счёт напыления покрытий с необходимыми заданными свойствами [1].

В последние два десятилетия в результате развития теоретических методов описания адсорбции и экспериментальных исследований стало ясно, что все взаимодействия и реакции атомов металлов на металлических поверхностях оказываются более сложными, чем полагалось до сих пор. В частности, исследование распределения атомов металлов на поверхностном слое подложки выявило эффекты перемешивания адатомов с атомами подложки с образованием поверхностных бинарных растворов (активированная адсорбция) [1].

Среди теоретических методов исследования адсорбции в тонких металлических плёнках хорошо зарекомендовал себя метод функционала спиновой плотности (МФП) [1-4].

В данной работе в рамках МФП при учёте эффектов перемешивания и температурных эффектов исследуется поведение полной межфазной энергии о и относительной доли р атомов адсорбата в плёнке для монослойной ферромагнитной плёнки железа, расположенной на вольфраме (110). При этом осуществляется учёт влияния шероховатости поверхностей путём введения в модель между подложкой и плёнкой вакуумного зазора полушириной Б. Учёт эффектов перемешивания проводится в рамках модели описания поверхностных бинарных растворов, изложенной в [1-4].

Данное исследование можно рассматривать как продолжение работ [2-4], одно из главных отличий которых от представляемой работы состоит в том, что в них рассматривался случай Б = 0 (т. е. только абсолютно гладкие поверхности).

Исследовалась система, состоящая из 5-ти подобластей, конфигурация которой представлена на рис. 1.

На рис. 2 представлены графики зависимости полной межфазной энергии от Б для температур 100 К и 500 К для различных параметров покрытия 9. Здесь и далее вплоть до рис. 5 для активированной и неактивированной адсорбции используются, соответственно, сплошная и штриховая линии.

© М.В. Мамонова, П.Ю. Ежков, 2014

70

М. В. Мамонтова, П.Ю. Ежков

Iприповерх. слой

А .

р 1-р

зазор пленка

п

3

\\\\\\\

А Б

р 1-р

вакуум

-0-1 -ООО о+и

Рис. 1. Конфигурация исследуемой системы: пь п2, п3 - характерные значения электронной плотности; р - относительная доля атомов адсорбата в приповерхностном слое; А - адсорбат; Б - субстрат. Пространственное распределение намагниченности выбиралось прапорционально распределению электронной плотности адсорбата

1. 0 = 0,2

б

5. і -6. і ---7. і

: 0.8

: 0,8

: 1,0

Рис. 2. Полная межфазная энергия как функция полуширины зазора: а) Т = 100 К; б) Т = 500 К

Видно, что учёт перемешивания приводит к понижению энергии для 9, больших некоторого 90(Т), а для 9 < 90, - к увеличению, можно предположить, что для таких 9 реализуется адсорбция без перемешивания.

Также видно, что существуют два граничных параметра покрытия: 9тт (Т) такое,

что при 9 < 9тт межфазная энергия не имеет минимума в положительной области Б, и

9тах (Т) такое, что при 9 > 9тах минимум межфазной энергии имеет отрицательное значение. Полученные значения 9тт и 9тах для активированной и неактивированной адсорбции представлены на рис. 3 и в табл. 1.

Рис. 3. Параметры покрытия 9тт (1, 2) и 9тах (3, 4) как функции температуры

Таблица 1 Рассчитанные параметры покрытия 0тт и 0таж для разных типов адсорбции

Т, К Активированная адсорбция Неактивированная адсорбция

0тт 0тах 0тіп 0тах

100 0,305 0,675 0,345 0,735

200 0,365 0,735 0,425 0,765

300 0,365 0,795 0,475 0,835

400 0,365 0,925 0,475 0,925

500 0,365 1,0 0,475 1,0

600 0,365 1,0 0,475 1,0

Можно заметить, что учёт перемешивания приводит к общему сдвигу интервалов в область меньших 9 и что уменьшение температуры сдвигает интервал [9тт; 9тах ]в область более низких 9 независимо от типа адсорбции.

На рис. 4 и 5 и в табл. 2 представлены, соответственно, зависимости от температуры и параметра покрытия равновесной полуширины зазора Б0, на которой достигается минимум межфазной энергии. В случаях, когда минимум не был обнаружен, полагалось Б0 = 0.

Видно, что изменения при переходе к активированному случаю тем заметнее, чем меньше 9, причем для малых температур Б0 уменьшилось, а для более высоких - возросло. В целом можно заметить, что значения Б0 заключены в интервале 0,02..0,61 а.е., эта величина уменьшается с ростом температуры и демонстрирует рост вместе с 9, близкий к линейному.

Влияние шероховатости поверхностей на активированную адсорбцию плёнки железа.

71

Рис. 4. Зависимость равновесной полуширины зазора от температуры:

1, 2: 0 = 0,6; 3, 4: 0 = 1,0

Рис. 5. Зависимость равновесной полуширины зазора от параметра покрытия:

1, 2: Т = 100 К; 3, 4: Т = 500 К

Таблица 2

Равновесная полуширина зазора Оо

— 0

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

Акт. Неакт. Акт. Неакт. Акт. Неакт. Акт. Неакт. Акт. Неакт.

т, К 100 0,00 0,00 0,10 0,20 0,29 0,40 0,45 0,52 0,61 0,61

200 0,00 0,00 0,03 0,00 0,25 0,31 0,42 0,49 0,60 0,60

300 0,00 0,00 0,02 0,00 0,14 0,12 0,35 0,39 0,55 0,55

400 0,00 0,00 0,02 0,00 0,13 0,09 0,24 0,22 0,45 0,45

500 0,00 0,00 0,02 0,00 0,13 0,09 0,19 0,19 0,32 0,31

600 0,00 0,00 0,02 0,00 0,13 0,09 0,19 0,19 0,26 0,27

На рис. 6 представлена зависимость параметра р от температуры для различных 9. Показаны случаи Б = 0 и Б = Б0(Т, 9) (соответственно, штриховая и сплошная линии).

Рис. 6. Зависимость относительной доли атомов адсорбата в плёнке от температуры:

1: 9 = 0,4; 2: 9 = 0,6; 3: 9 = 0,8; 4: 9 = 1,0

Видно, что для 9 > 0,5 и Т > 350 K учёт шероховатости приводит к ослаблению перемешивания (кроме 9 = 0,8).

ЛИТЕРАТУРА

[1] Мамонова М. В., Прудников В. В., Прудникова И. А. Физика поверхности. Теоретические модели и экспериментальные методы. М. : ФИЗМАТЛИТ, 2011. 400 с.

[2] Прудников В. В., Мамонова М. В., Климов С. П., Морозов Н. С. Теоретическое описание активированной адсорбции магнитных ионов на намагниченных металлических поверхностях // Вестн. Ом. ун-та. 2008. № 4. С. 23-28.

[3] Прудников В. В., Мамонова М. В., Климов С. П., Морозов Н. С. Исследование влияния эффектов заместительной адсорбции магнитных ионов на процесс образования субмонослойных ферромагнитных пленок на металлических поверхностях // Вестн. Ом. ун-та. 2009. № 2. С. 81-87.

[4] Мамонова М. В., Прудников В. В., Климов С. П. Описание активированной адсорбции магнитных ионов переходных металлов на поверхности твердых тел с образованием ультратонких ферромагнитных пленок // Вестн. Ом. ун-та. 2010. № 4. С. 50-56.