Влияние ориентации поверхностной грани на энергетические и

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
12. Сабиев, У.К. Пути совершенствования смесителей сыпучих кормов / У.К. Сабиев, А.В. Яковенко //
Исторические аспекты, состояние и перспективы развития земледелия в Сибири и Казахстане : науч.-практ.
конф. – Омск, 2014. – С. 150–152.
Ляшенко Виктория Сергеевна, аспирант, ОмГАУ им. П.А. Столыпина, e-mail: lyashenko_vichka@list.ru.
SUMMARY
V.S. Lyashenko
Review and analysis of mixers bulk feed
A big breakthrough in the development of Russian agriculture is associated with forage production. Fodder production brings together in a single system all sectors of agriculture (farming, crops, livestock), ecology, land management, environmental management, ecology and provides great prospects for their development. The final operation in
the preparation of animal feed is mixing. Commercially available mixers bulk feed installed do not provide a homogeneous mixture. A promising direction in the preparation of animal feed is the use of vibrations. The specific research
areas of vibronically continuous action with different mixing elements. Production of feed and feed high quality directly
in agricultural enterprises today is very important. This requires a new high-performance machine, in particular faucets.
There are drum mixers bulk feed. Based on the analysis of existing designs developed device vibrating mixer bulk feed.
A distinctive feature of the vibration – potential impacts on significant amounts of granular media and its subtlest layers
by controlling the vibration parameters. To improve technical and economic performance of the vibration mixer bulk
feed of the proposed system of direct electric drive on the basis of linear induction motor with single-phase frequency.
Converter and the engine management system. Application of linear induction motor drives of machinery conform to
the latest trends in technical base of agricultural enterprises. After Proversa analysis of existing mixers bulk feed can be
concluded that the improvement of vibronically to improve uniformity of feed mixtures has their own prospects and will
have a positive impact on improving livestock productivity.
Keywords: mixing, vibration, mixture quality.
Lyashenko Viktoriya Sergeevna, Postgraduate, OSAU named after P.A. Stolypin, e-mail: lyashenko_vichka@list.ru.
УДК 539.612
И.А. Прудникова, М.В. Мамонова, М.О. Стогова
ВЛИЯНИЕ ОРИЕНТАЦИИ ПОВЕРХНОСТНОЙ ГРАНИ
НА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ И МАГНИТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
АКТИВИРОВАННОЙ АДСОРБЦИИ МОНОСЛОЙНОЙ ПЛЕНКИ ЖЕЛЕЗА
Работа поддержана грантом Российского научного фонда № 14-12-00562.
В данной работе, в рамках модели описания адсорбции вариационным методом функционала спиновой
плотности, исследовано поведение энергии адсорбции и пространственного распределения намагниченности
для монослойной пленки железа на подложках из Ag и Au с учетом ориентации поверхностной грани и температуры в зависимости от величины параметра покрытия. Проведенные расчеты показали, что в области больших значений параметра покрытия  образование ферромагнитной пленки на поверхности подложки значительно увеличивает энергию адсорбции по сравнению с парамагнитной пленкой. Максимальная разность энергий для плотноупакованной грани (111) составляет ΔEads ≈ 54%. Для рыхлой грани (110) ΔEads значительно
меньше ≈ 10%. Для системы Fe/Ag (111), начиная с θ ≥ 0,8, энергетически выгоднее становится поверхностная
«сандвич»-структура, характеризуемая вытеснением ионами железа ионов серебра на поверхность и образованием плоскости из ионов железа в первом приповерхностном слое с наружной пленкой из атомов серебра. Для
системы Fe/Ag пик намагниченности приходится на область пленки только при  = 1 для всех граней, а для
системы Fe/Au для грани (111) имеет пик намагниченности в пленке для большинства исследуемых значений
T и . Для рыхлой грани Fe/Au можно наблюдать пик в пленке при значениях  > 0,65. При малых значениях
 Прудникова И.А., Мамонова М.В., Стогова М.О., 2015
60
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
параметра покрытия для обеих систем наблюдалась большая степень перемешивания атомов адсорбата и субстрата в приповерхностной области на грани (110) по сравнению с гранью (111). Размытие пика намагниченности отрицательно сказывается на магнитных свойствах системы. Для практического применения необходим пик
намагниченности в области пленки, поэтому можно сделать вывод о преимуществе использования системы
Fe/Au (111) в качестве магнитного элемента.
Ключевые слова: активированная адсорбция, магнитные ультратонкие пленки.
Введение
Исследование ультратонких магнитных систем и их энергетических свойств является
актуальной проблемой как с точки зрения фундаментальных основ магнетизма [1], так и с
прикладной точки зрения применения в микроэлектронике [2]. В тонкой, с толщиной в несколько монослоев, эпитаксиальной пленке железа на грани Ag (100) было экспериментально
обнаружено возникновение спонтанной намагниченности с вектором намагниченности, перпендикулярным поверхностной грани подложки. Магнитным и структурным свойствам тонких пленок железа на подложках из серебра и золота посвящен ряд работ [3–5]. К настоящему времени одна из основных задач исследований связана с выявлением условий получения
ферромагнитных пленок с наименьшей возможной толщиной и наиболее идеальной межфазной границей раздела пленка-подложка, что позволит получать многослойные магнитные
наноструктуры с наибольшим значением магнитосопротивления. При активированной адсорбции металлов наблюдается перемешивание атомов пленки и подложки [6], при этом пики намагниченности могут смещаться и размываться, что отрицательно сказывается на магнитных свойствах системы. Для практического применения необходим пик намагниченности в области пленки, поэтому важно предсказать, в какой системе возникнет пик намагниченности именно в этой области.
Целью данной работы является исследование поведения энергии адсорбции и пространственного распределения намагниченности для монослойной пленки железа на подложках из серебра и золота с учетом ориентации поверхностной грани.
Объекты и методы
Рассмотрим полубесконечный металл со средней плотностью заряда n1, ограниченный
бесконечной плоской поверхностью и занимающий область z < –l. Пленка адсорбата с плотностью заряда n3 толщиной h занимает область 0 < z < h. В результате процессов взаимного
перемешивания атомов адсорбата и субстрата, характерных для активированной адсорбции,
поверхность подложки подвергается различным реконструкциям. Наиболее значительную
реконструкцию испытывает первый приповерхностный слой подложки, поэтому этот слой
выделен в отдельную область со средней плотностью заряда n2 и толщиной l. В качестве
пробной функции выбиралась плотность электронного распределения n(z, β) в виде решения
линеаризованного уравнения Томаса – Ферми с использованием граничных условий. В соответствии с методом функционала плотности [7] величина вариационного параметра β находится из требования минимальности полной межфазной энергии системы.
Определим межфазную энергию взаимодействия, приходящуюся на единицу площади
контакта, как интеграл по z от объемной плотности свободной энергии электронного газа:

 0   { f [n( z,  ]  f [n0 ( z )]}dz.
(1)

В рамках модели «желе» объемная плотность свободной энергии неоднородного электронного газа может быть представлена в виде градиентного разложения [7]:
(2)
f [ n(z)]  w0 [n( z )]  w2 [ n( z ), | n( z ) | 2 ]  w4 [n( z ), | n( z ) | 4 ]  T ( s id  s order ),
где w0 [n( z )]  wkin  wkul  w x  wc ,
(3)
есть плотность энергии однородного электронного газа в атомных единицах, включающая
последовательно кинетическую, электростатическую, обменную и корреляционную энергии,
sid , sorder – энтропийные вклады в свободную энергию, учитывающие, соответственно, температурные изменения в энтропии для идеального электронного газа и эффекты магнитного
упорядочения в электронной подсистеме.
61
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
В магнитоупорядоченном состоянии в металлах происходит перераспределение электронов по одночастичным состояниям за счет влияния возникающего внутреннего магнитного поля обменной природы [8]. При этом электронная плотность квазичастиц со спином
«вверх» n+ оказывается отличной от электронной плотности квазичастиц со спином «вниз» n–.
Плотности n+ и n– могут быть выражены через относительную намагниченность
m(T) = M(T) / M(T = 0) электронов следующим образом:
1 m
(4)
n /  ( z )  n( z )
.
2
Энтропийные вклады в свободную энергию задаются выражениями:
 2 
 n ( z ) n ( z ) 
n( z )
 k Б T  
, s order  k Б
ln 4  (1  m) ln(1  m)  (1  m) ln(1  m). (5)
s id  k Б 

2
 F 
 2 
  F
Пространственное распределение намагниченности можно считать пропорциональным
вкладу в электронную плотность от магнитных атомов адсорбата и записать в виде:
0,5m2 e z e l  1  0,5m3e z 1  e h , z  l;

z
 ( z l )
 0,5m3e z 1  e h ,  l  z  0;
m2 1  0, 5e  0,5e
m( , z )  
(6)
 z
 l
 z
 ( z  h)
0
,
5
m
e
1

e

m
1

0
,
5
e

0
,
5
e
,
0

z

h
;

2
3
0,5m e z 1  e  l  0,5m e z e h  1 , z  h.

2
3
Экспериментальные исследования (табл. 1) показали, что температурная зависимость
намагниченности пленки железа на подложке из серебра может быть описана двумерной моделью Изинга с критическим индексом близким β = 0,125, что соответствует критическому
поведению тонких пленок с одноосной магнитной анизотропией. В то время как пленки на
подложке из золота будут отражать поведение двумерной XY модели (β = 0,23) с анизотропией типа «легкая плоскость».
















Таблица 1
Экспериментальные значения критической температуры объемного ферромагнетика и индекса β
для тонких пленок железа на различных подложках [8], а также параметры
кристаллической решетки подложек
Система
Fe/Ag
Fe/Au
Tc(b)
521,5
521,5
β
0,139 ± 0,004
0,22 ± 0,05
модель
2D Изинг
2D XY
с1
5,45
5,44
d1 (110)
2,73
2,72
d1 (100)
3,85
3,85
d1 (111)
4,45
4,44
Для описания температурной зависимости относительной намагниченности m(T) в
изинговского типа системах мы будем использовать онсагеровское точное решение:
.1 / 8

2Tcs 
(7)
m(T )  1  sh 4
 .
2,269T 

Для описания температурной зависимости относительной намагниченности m(T) в системах, описываемых двумерной ХY моделью, применялось выражение:
. 0 , 23
T s  T 
(8)
m(T )   c s  .
 Tc 
Критическая температура магнитного упорядочения моноатомной пленки зависит от
параметра покрытия Θ, т.е. Tc(s)(Θ), и отличается от критической температуры магнетика в
объеме Tc(b). Оценка Tc(s)(Θ) в приближении молекулярного поля может быть осуществлена
следующим образом:
z surf
Tc( s ) ( )  Tc(b )
,
(9)
zbulk
где zsurf – число ближайших соседей в ферромагнитной пленке, а zbulk – в объемном ферромагнетике. При этом в качестве критической температуры магнитного упорядочения объемного
62
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ферромагнетика Tc(b) предлагается воспользоваться его экспериментальным значением
(табл. 1).
Учет дискретности в распределении ионов приводит к поправкам в электростатической
энергии взаимодействия как за счет ион-ионного σii, так и электрон-ионного σei взаимодействий. В результате межфазную энергию взаимодействия можно записать в виде:
(10)
   0   ei   ii .
Будем использовать выражения, предложенные в работе [7]:
 ii  3
Z12
c13
exp( 
4d 1
3c1
)2 3
Z 22
c 23
exp( 
4l 
4l 
)1  exp( 
) 
3c 2 
3c 2 
 2 d 1
Z 32
Z1Z 2
4h 
4h 
l 
4l 
exp( 
) 1  exp( 
) 2 3
exp 
(  ) 1  exp( 
) 
3
3
/
2
c3
(c1 c 2 )
3c 3 
3c 3 
3 c1 c 2 
3c 2 

2 3
 2 l
Z2Z3
h 
4l 
4h 


exp

(

1

exp(

)
1

exp(

) 

(c 2 c 3 ) 3 / 2
3 c 2 c 3 
3c 2 
3c 3 

 2 d1  l / 2 h  l / 2  
Z1 Z 3
4h 
  1  exp( 
2 3
exp 
(

) ,
3/ 2
c1
c3  
(c1 c 3 )
3
3c 3 

2 3
 ei 
d 1e  d1 / 2
2
2
 l
 l
 h
[(
n

n
n
(
1

e
)

n
n
e
(
1

e
))(
1

ch(rc1 )) 
1
1 2
1 3
2
1  e  d1
le  l / 2
 (2n  n1 n2  n 2 n3 (1  e ))(1  e )(1 
ch( rc 2 )) 
(11)
1  e  l
he  h / 2
 (2n32  n1 n3 e   ( 2 D  l )  n 2 n3 (1  e  h ))(1  e  l )(1 
ch( rc3 ))],
1  e  h
где Z1, Z2, Z3 – заряды ионов; c1, с2 – расстояния между ближайшими ионами подложки в
плоскостях, параллельных поверхности, и в слое адсорбата; d1 – межплоскостное расстояние
в подложке, приведено в табл. 1 для различных ориентаций поверхностной грани; rc1 и rc2 –
радиусы обрезания псевдопотенциала Ашкрофта для ионов подложки и пленки.
Энергия адсорбции соответствует работе, необходимой для удаления адсорбированной
частицы с поверхности подложки. В связи с этим за энергию адсорбции может быть выбрана
величина удельной энергии адгезии, приходящейся на один адсорбированный атом:
Eads  Ea / nsa  ( ()  (0)) / nsa ,
(12)
a
где ns – поверхностная концентрация адсорбированных атомов, является функцией параметра Θ, определяющего степень заполнения атомами адсорбата поверхности подложки.
  n sa / n s1
,
(13)
2
2
 h
 l
где ns1 – характеризует поверхностную концентрацию атомов подложки.
Заместительная адсорбция характеризуется тем, что адсорбированные атомы металла
могут выталкивать приповерхностные атомы подложки и занимать их места. В данной работе полагается, что атомы адсорбата, располагаясь на подложке, вызывают реконструкцию
только ее первого приповерхностного слоя. В результате в пленке и приповерхностном слое
подложки образуется смесь атомов адсорбата и субстрата, которая по своим свойствам напоминает бинарный сплав двух металлов. Так, для бинарного сплава, образующегося в пленке, можно ввести обозначение ApS1-p, где символом А обозначены атомы адсорбата, а символом S – атомы субстрата, индекс p характеризует относительную долю атомов адсорбата в
сплаве. Заряд ионов и радиус обрезания rc псевдопотенциала Ашкрофта для бинарного сплава в пленке определим как:
Z  pZ a  (1  p )Z s ,
(14)
63
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
1/ 3
 pZ a ( rca ) 3  (1  p ) Z s ( rcs ) 3 
 ,
(15)
rc  
a
s

pZ

(
1

p
)
Z


где индекс a характеризует параметры адсорбата, индекс s – субстрата. Электронную плотность пленки можно представить в виде:
n3  , p   Z3 ns 3 / h
,
(16)
где Z3 определяется выражением (14), ns3 – поверхностная концентрация атомов в пленке, h –
толщина пленки, определяемая выражением
h  pd a  (1  p)d s ,
(17)
где da, ds – расстояния между наиболее плотноупакованными плоскостями в кристаллах адсорбата и субстрата. Аналогичные формулы использовались и для описания бинарного сплава Ap'S1–p' в приповерхностном слое подложки:
n2  , p '  Z 2 ns 2 / l
l  p ' d a  (1  p ')d1
,
,
(18)
где ns2 – поверхностная концентрация атомов в приповерхностном слое подложки, p' – относительная доля атомов адсорбата в слое, l – толщина слоя «перемешивания».
Предполагая равномерное распределение адатомов в приповерхностном слое подложки
с повторением ее симметрии, параметр заполнения Θ можно выразить через параметры бинарных растворов p и p’ и параметры q и q’, характеризующие степень заполнения атомами
пленки и приповерхностного слоя подложки, соответственно:
  pq  p ' q ' , q  ns 3 / ns1 ,q '  ns 2 / ns1 ,   q  q ' 1 .
(19)
Степень заполнения Θ адатомами поверхности подложки задается при этом таким образом, чтобы при Θ = 1 число атомов адсорбата равнялось числу атомов на поверхностной грани подложки. Параметры c2 и c3, задающие минимальные расстояния между атомами в приповерхностном слое и в пленке, определяются через параметр c1, характеризующий расстояние между атомами нереконструированной подложки, следующими соотношениями:
c2  c1 q ',c3  c1 q .
(20)
Поверхностные концентрации ns1 и ns2 являются функциями этих параметров и зависят
от симметрии грани подложки, на которой происходит адсорбция. Для подложки с ГЦК решеткой для различных ориентаций грани поверхностные концентрации в слое и пленке определяются как
1
1
2
n 100
 2 ; n 110
 2
; n 111
 2
.
(21)
si
si
si
ci
ci 2
ci 3
Поверхностная концентрация адсорбированных атомов nsa может быть выражена через
концентрации ns2 и ns3 соотношением:
n sa  p ' n s 2  pn s 3 .
(22)
Для выявления устойчивого состояния системы в случае активированной адсорбции
необходимо при фиксированных Т и , кроме минимизации по , проводить минимизацию
межфазной энергии, приходящейся на один атом пленки по независимым параметрам p и q,
так как система стремится к энергетически более выгодному состоянию, в котором энергия
отрыва одного атома из пленки максимальна.
  exp  min   (  , T ,  ) 
(23)
Eads ( )  min 
.
p, q
nsa ( p ,  )


64
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
Результаты исследований
На (рис. 1–3) приведены результаты расчета энергии адсорбции пленки железа на подложках из серебра и золота в зависимости от параметра покрытия для трех ориентаций поверхностной грани при различных температурах.
Рис. 1. Зависимость энергии адсорбции Eads эВ/ат от параметра покрытия  на гранях (111)
и (100) для системы Fe/Au при различных температурах
Рис. 2. Зависимость энергии адсорбции Eads эВ/ат от параметра покрытия  на гранях (111)
и (100) для системы Fe/Ag при различных температурах
Рис. 3. Зависимость энергии адсорбции Eads эВ/ат от параметра покрытия  на грани (110)
для систем Fe/Au и Fe/Ag при различных температурах
Можно заметить (рис. 3), что разница энергий систем в полностью упорядоченной ферромагнитной фазе (T = 0) и парамагнитной (T > Tc) минимально для самой рыхлой грани
65
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
(110) – ΔEads ≈ 9% для Fe/Au и ΔEads ≈ 12% для Fe/Ag. Для плотноупакованной грани (111)
разность максимальна и составляет ΔEads ≈ 54% для Fe/Au и ΔEads ≈ 49% для Fe/Ag, а для грани (100) ΔEads ≈ 24% для Fe/Au и ΔEads ≈ 28% для Fe/Ag. Для обеих систем наблюдается
уменьшение энергии адсорбции при переходе к более плотноупакованным граням. Так, для
грани (110) значения энергии лежат в диапазоне 10 > Eads > 2,5 эВ/ат, а для грани (111)
4,5 > Eads > 1,5 эВ/ат.
График зависимости энергии адсорбции от параметра покрытия для плотноупакованной грани (рис. 1–2) имеет минимум, зависящий от материала подложки. При этом для грани
(110) (рис. 3) наблюдается монотонное уменьшение Eads для всех исследуемых температур.
Можно отметить, что наблюдаемые температурные изменения энергии адсорбции во многом
обусловлены температурной зависимостью намагниченности ферромагнитной пленки, т.к.
без учета эффектов намагниченности влияние температуры на величину энергии адсорбции
незначительно.
На (рис. 4–6) представлена вычисленная для систем Fe/Au и Fe/Ag при трех ориентациях поверхностной грани зависимость равновесных значений структурного параметра р, задающего долю магнитных атомов в пленке, от параметра покрытия θ для различных температур.
Рис. 4. Зависимость степени перемешивания pmin от параметра покрытия  на гранях (111)
и (100) для системы Fe/Au при различных температурах
Рис. 5. Зависимость степени перемешивания pmin от параметра покрытия  на гранях (111)
и (100) для системы Fe/Ag при различных температурах
Для плотноупакованной грани (рис. 4–5) видно существенное отличие характера перемешивания для разных подложек. Так, для Fe/Au (111) существует два различных типа поверхностных структур, реализация которых зависит от наличия намагниченности в системе.
66
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
До тех пор, пока осажденные атомы железа находятся в парамагнитной фазе, наблюдается
значительное перемешивание их с атомами субстрата. При этом в пленке остается достаточно небольшое их количество p ≈ 0,2–0,3 даже при больших значениях θ. Однако при возникновении намагниченности энергетически более выгодным становится формирование монослойной пленки на поверхности.
Рис. 6. Зависимость степени перемешивания pmin от параметра покрытия  на грани (110)
для систем Fe/Au и Fe/Ag при различных температурах
Для системы Fe/Ag (111) начиная с θ ≥ 0,8 энергетически выгоднее становится поверхностная «сандвич»-структура, характеризуемая вытеснением ионами железа ионов серебра
на поверхность и образованием плоскости из ионов железа в первом приповерхностном слое
с наружной пленкой из атомов серебра.
Такое поведение обусловлено тем, что золото и серебро кристаллизуются в виде ГЦКструктур, т.е. симметрия их решетки отличается от ОЦК-структуры для железа, характеризующейся основным ферромагнитным состоянием. При этом поверхностные энергии для плотноупакованных граней Au (111) и Ag (111) характеризуются меньшими значениями, чем поверхностная энергия для железа: σFe (111) = 2170 ± 330 мДж/м2 σAu (111) = 1410 ± 80 мДж/м2,
σAg (111) = 1205 ± 90 мДж/м2, причем различия в поверхностных энергиях железа и серебра
являются наибольшими.
Для рыхлой грани (110) для обеих систем (рис. 6) при малых значениях параметра покрытия  < 0,65 характерно сильное перемешивание атомов адсорбата и субстрата. При
этом если на подложке из золота с ростом  происходит формирование монослойной пленки
адсорбата на поверхности подложки для температур 0 < T < 500 K, то для подложки из серебра такое становится возможным только при  ≈ 1. На грани (100) для обеих систем при
малых значения параметра покрытия реализуется структура типа «сэндвич», но с увеличением  ( > 0,65 для Au и  > 0,85 для Ag) для температур T < Tс происходит формирование
монослойной пленки.
Основываясь на предсказании реализации наиболее энергетически выгодных поверхностных структур, стало возможным представить равновесное пространственное распределение приведенной намагниченности m (z). Например, на рис. 7–10 представлены распределения намагниченности для плотноупакованной (111) и наиболее рыхлой граней (110) для значений параметра покрытия θ = 0,5; 0,7; 1,0 при температурах Т = 0 К и Т = 300 К соответственно.
Из рис. 7 для Fe/Au (111) видно, что при T = 0 K максимум в распределении намагниченности приходится на пленку из ионов железа, образующуюся на поверхности подложки
67
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
из золота. Но для рыхлой грани (110) из-за процессов перемешивания в данной системе для
θ = 0,5 наблюдается «размазывание» намагниченности по приповерхностным областям. Тем
самым снижается максимум намагниченности, приходящийся на пленку.
Для Fe/Ag(111) (рис. 8) из-за образования «сандвич»-структуры максимум в распределении намагниченности приходится как раз на переходной приповерхностный слой с малым
значением намагниченности в пленке серебра, образующейся на поверхности.
Рис. 7. Пространственное распределение намагниченности при Т = 0 K для граней (111)
и (110) для системы Fe/Au
Рис. 8. Пространственное распределение намагниченности при Т = 0 K для граней (111)
и (110) для системы Fe/Ag
Рис. 9. Пространственное распределение намагниченности при Т = 300 K для граней (111)
и (110) для системы Fe/Au
68
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
Рис. 10. Пространственное распределение намагниченности при Т = 300 K для граней (111)
и (110) для системы Fe/Ag
При более высокой температуре Т = 300 К (рис. 8) характер распределения при
 > 0,5 не меняется, только уменьшаются значения пиков намагниченности. При  = 0,5
критическая температура Tc = 260 K, поэтому температура становится выше критической,
следовательно, намагниченность в системах отсутствует.
Выводы
Было проведено исследование энергетических и структурных характеристик, а также
пространственного распределения намагниченности для монослойной пленки железа на
подложках из серебра и золота с учетом ориентации поверхностной грани.
Проведенные расчеты показали, что в области больших значений параметра покрытия
 пленка железа в ферромагнитной фазе обладает большей энергией адсорбции, чем в парамагнитной фазе. Это говорит о том, что образование ферромагнитной пленки на поверхности подложки значительно увеличивает энергию адсорбции по сравнению с парамагнитной пленкой. Максимальная разность энергий для плотноупакованной грани (111) составляет ΔEads ≈ 54%. Для рыхлой грани (110) ΔEads значительно меньше (≈ 10%). График зависимости энергии адсорбции от параметра покрытия для плотноупакованной грани имеет
минимум, зависящий от материала подложки. При этом для грани (110) наблюдается монотонное уменьшение Eads для всех исследуемых температур. При малых значениях  энергия адсорбции для грани (110) в два раза больше, чем для грани (111).
При малых значениях параметра покрытия наблюдалась большая степень перемешивания атомов адсорбата и субстрата в приповерхностной области на грани (110) по сравнению с гранью (111).
По графику пространственного распределения намагниченности для системы Fe/Ag
можно заметить пик намагниченности в пленке только при  = 1 для всех граней. График
m(z) системы Fe/Au для грани (111) имеет пик намагниченности в пленке для большинства
исследуемых значений T и . Для рыхлой грани можно наблюдать пик в пленке при значениях  > 0,65. Можно сделать вывод о преимуществе системы Fe/Au (111) в качестве магнитного элемента.
69
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
Список литературы
1. Valet, T. Theory of the perpendicular magnetoresistance in magnetic multilayers / T. Valet, A. Fert // Physical Review B. – 1993. – V. 48 – №10. – P. 7099–7113.
2. The spin-valve transistor: technologies and progress / J.C. Lodder, D.J. Monsma, R. Vlutters, T.J. Shimatsu
// J. Magn. Magn. Mater. – 1999. – V. 198 – P. 119–124.
3. Hahlin, A. Structure and magnetism of ultrathin epitaxial Fe on Ag (100) / A. Hahlin, C. Andersson //
Physical Review B. – 2006. – V. 73. – № 13. – P. 134423.
4. Shintaku, K. Magnetoresistance effect and interlayer exchange coupling in epitaxial Fe/Au (100) and
Fe/Au (111) multilayers / K. Shintaku, Y. Daitoh, T. Shinjo // Physical Review B. – 1993. – V. 47. – № 21. –
P. 14584–14587.
5. Dekadjevi, D.T. Structural phase transition of Fe grown on Au (111) / D.T. Dekadjevi, B.J. Hickey // Physical Review B. – 2006. – V. 71 – № 5. – P. 054108.
6. Scheffler, M. Theory of Adsorption on Metal Substrates // Handbook of Surface Science. – V. 2. Electronic
Structure / M. Scheffler, C. Stampfl – Amsterdam : Elsevier. – 2000. – P. 286–356.
7. Мамонова, М.В. Физика поверхности. Теоретические модели и экспериментальные методы /
М.В. Мамонова, В.В. Пудников, И.А. Прудникова. – М. : Физматлит. – 2011. – 400 с.
8. Vaz, C.A.F. Magnetism in ultrathin film structures / C.A.F. Vaz, J.A.C. Bland, G. Lauhoff // Reports on
Progress in Physics. – 2008. – V. 71. – P. 056501.
Прудникова Ирина Анатольевна, кандидат физ.-мат. наук, доцент, ОмГАУ им. П.А. Столыпина, тел.
(3812) 65-10-63, e-mail: phys_omgau@mail.ru; Мамонова Марина Владимировна, кандидат физ.-мат. наук,
доцент, Омский государственный университет имени Ф.М. Достоевского (ОмГУ им. Ф.М. Достоевского),
тел. (3812) 64-77-87, e-mail: mamonova_mv@mail.ru; Стогова Мария Олеговна, студентка, ОмГУ им.
Ф.М. Достоевского, e-mail: masha.stogova@gmail.com.
SUMMARY
I.A. Prudnikova, M.V. Mamonova, M.O. Stogova
Influence of surface orientation on the energy and magnetic characteristics of substitutional
adsorption of the monolayer iron film
Theoretical description of activated adsorption of Fe film on the Ag and Au nonmagnetic substrates at low Miller
index orientations of its surface face with taking into consideration the inhomogeneous distrubution of magnetization in
surficial region. We calculated the adsorption energies, structural parameter and spatial distribution of magnetization for
Fe/Ag and Fe/Au systems as a function of the parameter of coverage  for different temperatures. Results of calculation
show that the temperature and ferromagnetic ordering lead to material effect on surface reconstruction and characteristics of adsorption at depending on the coverage parameter Θ. So, for adsorption Fe on Ag it is revealed that substitutional processes are energetically more favorable for case with small values of coverage parameter Θ when “sandwich”structures or close to these are generated. However, at Θ =1 the interaction of magnetic ions and appearance of spontaneous magnetization lead to formation of monolayer film on a surface without involvement of substrate atoms.The substitutional processes for adsorption Fe on Au substrate strongly depend on orientations of surface faces than on Ag substrate: on close-packed surface face (111) processes of reconstruction are very poor; on face Au (100) and Au (110) effects of surface reconstruction are similar to adsorption Fe on Ag substrate. Smearing of peak magnetization negatively
affects on magnetic properties of the system. For practical applications, it is necessary that the peak of the
magnetization is in the region of the film. Therefore we can conclude that the system Fe/Au (111) is better used as a
magnetic element.
Keywords: activated adsorption, magnetic ultrathin films.
Prudnikova Irina Anatolevna, Cand. Phys.-math. Sci., Assoc. Prof, OSAU named after P.A. Stolypin, ph.
(3812) 65-10-63, e-mail: phys_omgau@mail.ru; Mamonova Marina Vladimirovna, Cand. Phys.-math. Sci., Assoc.
Prof, OSU named after F.M. Dostoevsky, ph. (3812) 64-77-87, e-mail: mamonova_mv@mail.ru; Stogova Mariya
Olegovna, student, OSU named after F.M. Dostoevsky, e-mail: masha.stogova@gmail.com.
70