Поверхностные сегрегации и магнетизм в сплавах переходных металлов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Введение

1. Методы первопринципных расчетов.

1.1. Методы расчета электронной структуры.

1.1.1. Теория функционала плотности.

1.1.2. Метод линеаризованных МТ-орбиталей (JIMTO).

1.1.3. Формализм функции Грина.

1.1.4. Приближение когерентного потенциала

1.1.5. Мультипольные поправки к ПАС.

1.1.6. Энергия Маделунга неупорядоченного металлического сплава

1.1.7. Метод локально самосогласованной гриновской функции

1.1.8. Метод ЛМТО-ФГ для поверхностей металлов и сплавов

1.2. Расчет эффективных межатомных взаимодействий.

1.2.1. Числа заполнения и эффективные гамильтонианы

1.2.2. Метод Коннолли-Вильямса.

1.2.3. Метод обобщенной перенормировки (МОП).

1.2.4. Одночастичные потенциалы.

1.3. Метод Монте-Карло.

1.3.1. Метод Монте-Карло для объема.

1.3.2. Метод Монте-Карло для поверхности.

2. Сегрегации и перенос заряда на (111) поверхности неупорядоченного сплава Ni04Au

2.1. Детали расчетов.

2.2. Работа выхода и перенос заряда.

2.3. Поверхностные сегрегации.

3. Расчет равновесных концентрационных профилей и исследование намагниченности на (100) поверхности сплавов переходных металлов на основе ванадия.

3.1. Детали расчетов.

3.2. Исследование магнитных свойств.

3.2.1. Модель Стонера.

3.2.2. Метод фиксированного спинового момента.

3.3. Сплавы системы Р<1 — V.

3.4. ЯиюУдо и ДАюУэо .9.

3.5. Ц5Мо25.

Актуальность темы

В современных технологических процессах широко используют свойства, обусловленные наличием свободной поверхности у металлов и сплавов, например, в современной микроэлектронике. Наличие поверхности может являться движущей силой перераспределения атомов, в том числе процесса сегрегации вблизи поверхности. Из-за особенностей электронного строения Зс1- и 4<1- металлов и нарушения локального окружения вблизи поверхности, у сплавов этих металлов, немагнитных в объеме, можно ожидать возникновения магнитного момента в поверхностном слое, поскольку известно, что изолированные атомы и кластеры переходных металлов могут иметь большой магнитный момент. Вследствие этого поверхности переходных металлов и сплавов представляют интерес в качестве объектов для поиска новых магнитных материалов. Экспериментальное исследование физических свойств поверхности, том числе магнитных, затруднено из-за множества факторов (примеси, температура, несовершенство структуры и другие), влияющих на изготовление чистой поверхности и, соответственно, на измеряемые свойства. Поэтому теоретическое исследование поверхности металлических сплавов является одной из актуальных задач физики конденсированного состояния, так как в качестве входных параметров не используются экспериментальние данные. Для определения равновесного концентрационного профиля необходимо знать параметры межатомного взаимодействия, которые возможно получить из первопринципных расчетов. Так как сами по себе пер-вопринципные методы предназначены для расчета свойств основного состояния при Т=0 К, перспективным представляется их комбинация с использованием методов статистической физики для расчета свойств при конечных температурах.

Таким образом, весьма актуальной задачей является разработка надежных и эффективных методов расчета "из первых принципов" свойств поверхностей сплавов, а также статистических методов, позволяющих рассчитать равновесную концентрацию компонентов на поверхности при конечных температурах.

Цель работы

1. Разработка эффективной схемы расчета потенциалов межатомного взаимодействия на поверхности сплавов замещения переходных металлов в рамках теории функционала плотности.

2. Разработка эффективных статистических методов расчета равновесной конфигурации сплава замещения на поверхности при конечных температурах.

3. Исследование переноса заряда, работы выхода, поверхностой энергии в зависимости от концентрации Иг на (111) поверхности и в подповерхностном слое неупорядоченного сплава Иг04Ащв, расчет равновесных концентрационных профилей при ненулевой температуре.

4. Исследование поверхностных сегрегаций и магнетизма на (100) поверхности ОЦК сплавов замещения на основе ванадия в зависимости от температуры и ориентации поверхности.

Научная новизна

Применены первопринципные методы для расчета эффективных межатомных потенциалов и магнитных свойств, методика статистического моделирования методом Монте-Карло на поверхности, позволяющая обойти трудоемкий расчет объемного химического потенциала при конечных температурах.

Проведено исследование (111) поверхности неупорядоченного сплава 1\гг04Аиж Обнаружено, что сегрегация никеля в поверхностный слой энергетически невыгодна; работа выхода зависит от состава не только поверхностного, но и подповерхностного слоев; изменение величины переноса заряда в слоях, близких к поверхности, позволяет судить об изменении характера межатомной связи. Из расчета равновесных концентрационных профилей методом Монте-Карло следует, что при Т=200-2000 К (111) поверхность сплава обогащается золотом.

Рассчитаны магнитные моменты низкоиндексных поверхностей неупорядоченных сплавов систем Me — V (Мe=Pd, Rh, Ru, Mo) при T=0 К, обнаружено, что поверхности всех исследуемых сплавов в несегрегированном состоянии магнитны, определены равновесные концентрационные профили для исследуемых систем; при конечных температурах поверхности сплавов Ро^б^б и RuwVgо оказались немагнитными из-за сегрегации растворенного компонента, поверхность сплава M025V75 остается магнитной в случае сегрегации атомов V.

Практическая значимость работы

Реализованы эффективные алгоритмы для расчета межатомных взаимодействий и моделирования методом Монте-Карло свойств на поверхности сплавов замещения в термодинамическом равновесии.

Рассчитаны поверхностные свойства неупорядоченного сплава Nio^Au^Q.

В интервале температур 200-1500 К рассчитаны сегрегационные профили неупорядоченных сплавов на основе ванадия.

Рассчитаны магнитные моменты поверхностей ванадиевых сплавов в несегрегированном и сегрегированном состояниях.

Основные научные положения, выносимые на защиту

1. Методика расчета равновесной конфигурации сплавов замещения на поверхности.

2. Результаты расчетов поверхностных характеристик сплава Ni^Au^.

3. Результаты расчетов поверхностных сегрегаций и намагниченности поверхности в системах PdV, RhV, RuV, MoV.

Структура и объем диссертации

Материал диссертации изложен на 110 страницах машинописного текста, содержит 12 рисунков, 7 таблиц, библиография содержит 108 наименований. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, основных выводов, заключения и списка литературы.

Основные результаты и выводы

1. Применен первопринципный метод для расчета эффективных межатомных взаимодействий и магнитных свойств на поверхности неупорядоченных сплавов переходных металлов.

2. Применена новая методика для моделирования поверхностных сегрега-ций методом Монте-Карло.

3. Проведено исследование (111) поверхности неупорядоченного сплава NioiAusQ. Обнаружено, что сегрегация никеля в первый слой увеличивает поверхностную энергию, работа выхода зависит от состава поверхности нелинейным образом, изменение величины переноса заряда в слоях, близких к поверхности, позволяет судить о изменении характера межатомной связи. В интервале температур 200-2000 К рассчитаны равновесные концентрационные профили, из которых следует, что золото сегрегирует на (111) поверхность сплава Ni^Au^.

4. Рассчитаны магнитные моменты низкоиндексных поверхностей неупорядоченных сплавов систем Me — V (Me = Pd, Rh, Ru, Mo) при T=0 К, обнаружено, что поверхности всех исследуемых сплавов в несегрегированном состоянии магнитны, определены равновесные концентрационные профили для исследуемых систем, при конечных температурах поверхности сплавов Po^sV^s и Ru 10V90 оказались немагнитными из-за сегрегаций растворенного компонента. Поверхность сплава V-j^Mo2b остается магнитной даже в случае сегрегации атомов V. Все переходные металлы, составляющие исследуемые системы, не являются магнитными материалами, следовательно, полученные результаты потенциально могут быть использованы для создания новых магнитных материалов.

Заключение

Предлагаемая расчетная схема дает надежные результаты и значительно сокращает вычислительные затраты по сравнению со стандартными методиками. Развитие метода для исследования двумерных систем позволило изучать поверхностные свойства различных систем. Данный подход позволил исследовать поверхностные сегрегации и намагниченность поверхности сплавов систем V — Me, Me = Pd, Ru, Rh, Mo, а также изучить поверхностные характеристики (111) поверхности сплава Ni^Au^. Таким образом, он может найти широкое применение для дальнейшнго решения конкретных задач физического материаловедения.

В заключение, я выражаю свою искреннюю признательность научному руководителю, профессору Векилову Ю.Х., за постановку задачи и постоянное внимание к моей деятельности, доктору физико-математических наук Абрикосову И.А. и кандидатам физико-математических наук Исаеву Э.И. и Поюров-скому Л.В. за постоянное участие и интерес к данной работе.

1] P. Hohenberg and W. Kohn, Phys. Rev. B136 864 (1964).

2] W. Kohn and L. J. Sham, Phys. Rev. A140 1133 (1965).

3] D.M. Ceperley and B.J. Alder, Phys.Rev. Lett.45 566 (1980).

4] L. Hedin and B.I. Lundqvist, J. Phys. С 4, 2064 (1971)

5] U.von Barth and L.Heidin, J. Phys. С 5, 1629 (1972)

6] O.Gunnarsson and B.I. Lundqvist, Phys. Rev. B13 4274 (1976)

7] J. Per dew and A.Zunger, Phys. Rev. B23 5048 (1981)

8] L. Vitos, B. Johansson, J.Kollar and H.L. Skriver, Phys.Rev. B62 10046 (2000).

9] B.B. Немошкаленко и В.А Антонов, Методы вычислительной физики в теории твердого тела. Зонная теорияя металлов.- Киев: Наукова думка, 1985.407 с.

10] H.L. Skriver, The LMTO Method (Springer, Berlin 1984).

11] O.K Andersen, O. Jepsen and D.Glotzel, in Highlidhts of Condensed-Matter Theory, edited by F. Bassani, F. Fumi and M.P. Tosi (North Holland, New York 1985).

12] O.K Andersen and 0. Jepsen, Phys.Rev. Lett. 53 2751 (1984)

13] O.K Andersen, Z. Pawlowska and 0. Jepsen, Phys.Rev. B34 5253 (1986)

66] V.A.van Santen, L.H. Toneman and R. Bouwman, Syrface Sei. 47, 64 (1975)

67] A.D.van Langeveld, Surface Chemistry of Metals and Alloys, Thesis, University Leiden, Netherland, 1983

68] Z.W. Lu, S.H.Wei, A.Zunger, Phys.Rev. B44 512 (1991)

69] J.Pewdew and A.Zungen , Phys.Rev. B23 5048 (1981)

70] A. Kashetov and N.A. Gorbatyi, Soviet Prys.Solid State, 10 1673 (1969)

71] E.E.Huber, Appl.Phys.Lett., 4 169 (1966)

72] S.H.Overbury, P.A.Bertrend, G.A. Somorjai Chem.Rev. 75 574 (1975)

73] P.A.Korjavyi, A.Yu. Lozovoi, A.V. Ponomareva and Yu.Kh. Vekilov, Prys. Low-Dim. Struct. 4/5 139 (1996)

74] Binary Alloy Phase Diagramms, edited by T.B. Massalski (American Binary Society for Metals, Metals Park, OH,

75] F.L. Williams and H. Boudart, J.Catalysis, 33 438 (1973) 1986).

76] H.H. Brondersma, M.J. Sparnaay, T.M. Back, Surf.Sci., 71 657, (1978)

77] E.A. Guggenheim, N.K. Adam, Proc. Roy. Soc. A, 139 227 (1980)

78] J.L. Meijering, Acta Met., 14 251 (1966)

79] F.L. Williams, Surf.Sci, 45 377 (1974)

80] J.J.Burton, C.R. Heim and R.S.Polizzotti, J.Vacuum Sei. Techol. 13 204 (1976)

81] H. Dreysse, and C. Demangeat, Surface Science Reports, 28, 65 (1997), and references therein.

82] V.S. Stepanyuk, W. Hergert, P. Rennert, J. Izquierdo, A. Vega, L.C. Balbas, Phys.Rev. B57 R14020 (1998).

83] D.K. Misemeret al., Phys. Rev. B31 3355 (1995).

84] A.J. Freeman and R. Wu, J.Magn.Magn.Mater. 100 497 (1991).

85] S. Bliigel, M. Weinert, P.H. Dederichs, Phys.Rev.Lett. 60 1077 (1988).

86] M.J. Zhu, D.M. Bylander, and L. Kleynman, Phys. Rev. 42 2874 (1990); M.J. Zhu, D.M. Bylander, and L. Kleynman, Phys. Rev. 43 4007 (1991)

87] Ruqian Wu, A.J. Freeman, Phys. Rev. B 45 7222 (1992). 11065 (1998).

88] E.S. Stoner, Proc. R. .Soc. 165 372 (1938).

89] A.V. Ruban and H.L. Skriver, Comput. Mat. Sci. 15 119 (1999).

90] L.V. Pourovskii, A.V. Ruban,I.A. Abrikosov, Yu.Kh. Vekilov, B. Johansson, JETP, 73 481 (2001).

91] D.G. Pettifor, J. Magn. Magn. Mater. 15 18-847 (1980).

92] V. Heine, J. H. Samson, J. Phys. : Met. Phys. 13 2155 (1983).

93] A.J.Cox, Phys.Rev.B49 12295 (1994)

94] V.S. Stepanyuk, W. Hergert, P. Rennert, K. Wildberger, R. Zeller, P.H. Dederichs, Phys.Rev. B59 1681 (1999).

95] K. Shintaku, T. Mizutani, N. Hosoito, T. Shinjo, J.Phys.Soc.Jpn. 60 1078 (1991).

96] G.Allan, Surf.Sci. 74 79 (1978)

97] V.L. Moruzzi, P.M. Marcus, P.C Pattnaik, Phys.Rev. B37 8003 (1988)

98] H.Ahon and A.Tasaki, J.Phys.Soc.Jpn. 42 791 (1977)

99] C. Rau, C. Liu, A. Schmalzbauer, G. Xing, Phys.Rev. Lett. 57 2311 (1986)

100] G. Bihlmayer, T. Asada and S. Blügel, Phys.Rev. B62 11937 (2000).

101] I. Turek, S. Blügel, J. Kudrnovsky, Phys.Rev. B57 11065 (1998).

102] S.H. Vosko, L. Wilk, M. Nusair, Can.J. Phys.58 1200 (1980).

103] E.I. Isaev, L.V. Pourovskii, A.M.N. Niklasson, Yu.Kh. Vekilov, B. Johansson, I.A. Abrikosov, Phys.Rev.B, to be published.

104] L.V. Pourovskii, I.A. Abrikosov, N.V. Skorodumova, B. Johansson, Yu.Kh. Vekilov, Phys.Low.-Dim. Str.,9-10 13 (1998).

105] K.Schwarz and P. Mohn, J.Phys.F 14 L129 (1984)

106] A. Mokrani, C. Demangeat, H. Dreysse, Phys.Rev. B42 10319 (1990)

107] 0. Gunnarsson, J.Phys. F6 587 (1976)

108] F. Liu, S.N. Khanna, P. Jena, Phys.Rev. B43 8179 (1991)