WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 3 Колебательные состояния на поверхностях Cu (100) с адслоями Ni, © Г.Г. Русина, И.Ю. Скляднева, Е.В. Чулков, Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук, 634021 Томск, Россия Donostia International Physics Center (DIPC), 20018 San Sebastian/Donostia, Spain Universidad del Pais Vasco/Euscaal Herriko Unibertsitatea, 20080 San Sebastian/Donostia, Spain E-mail: rusina@sms.tsc.ru (Поступила в Редакцию 29 апреля 2002 г.) С использованием метода погруженного атома проведены расчеты колебательных спектров для поверхности Cu(100) с одним и двумя монослоями Ni. Детально обсуждаются релаксация поверхности, дисперсия поверхностных фононов, а также поляризация колебательных мод адсорбента и подложки. Полученные теоретические результаты хорошо согласуются с экспериментальными данными и могут использоваться для их интерпретации. Обсуждается изменение межатомных взаимодействий при нанесении адсорбaтов.

Работа выполнена при поддержке Министерства промышленности, науки и технологий Российской Федерации (грант №40-012.1.1.1153).

Динамические свойства металлических поверхностей В этом выражении второе слагаемое представляет сос адсорбaтами вызывают большой интерес, так как бой парный потенциал взаимодействия атомов, где ri j — адсорбированный слой модифицирует спектр поверх- расстояние между атомами i и j. Первое слагаемое ностных фононов и может приводить к образованию описывает многочастичные эффекты, здесь Fi —энергия новых локализованных или резонансных мод. Кроме погруженного атома, которая определяется электронной того, исследование колебательных спектров позволя- плотностью в узле ri. Последняя находится как суперпоет лучше понять механизмы взаимодействия подложки зиция атомных электронных плотностей с адслоями [1,2].

Экспериментальное изучение фононных мод чистых i = a(ri j), (2) j поверхностей Cu и Ni, а также поверхностей этих меi= j таллов с адсорбатами проводится в основном с испольгде a получаются из решения задачи для свободного зованием методов высокоразрешающей спектроскопии j атома в приближении функционала локальной плотнопотерь энергии электронов (HREELS) [3] и неупругого рассеяния атомов гелия (HAS) [1]. Например, в рабо- сти [9]. Взаимодействия учитывались до четвертой коте [3] изучалась дисперсия релеевской моды и поверх- ординационной сферы включительно. Параметры метода подгонялись под экспериментальные данные для меди ностного резонанса вдоль направления M[(100)] при и никеля по энергии сублимации, равновесному объему, нанесении одного (1ML) и двух (2ML) монослоев Ni на поверхность Cu(100). Теоретическая трактовка экспери- энергии образования вакансии, модулю всестороннего ментальных результатов дается, как правило, в моделях сжатия, модулю упругости, а также по энергии образосиловых постоянных, подогнанных под эксперименталь- вания сплава Ni–Cu [5].

ное поведение релеевской моды [3].

В настоящей работе для расчета колебательных спек2. Результаты расчета. Обсуждение тров релаксированных поверхностей nML Ni/Cu(100), где n = 1, 2, использовался метод погруженного атома Равновесное положение поверхностных слоев (релак(МПА), в котором имеется вклад в полную энергию, сированная геометрия) находилось методом молекуляропределяемый электронной плотностью и описываюной динамики при нулевой температуре. Расчет для щий многочастичные взаимодействия [4,5]. Этот меповерхности 1ML Ni/Cu(100) показал, что расстояние тод успешно применяется для исследования различных между поверхностными слоями dNi-Cu уменьшается свойств поверхности чистых металлов, сплавов, а также на 9.6% по сравнению с межслоевым расстоянием поверхностей с адсорбaтами [5–8].

в объемной меди. В случае 2ML Ni/Cu(100) первое межслоевое расстояние dNi -Ni(i) (s — поверхность, (s) 1. Метод расчета i — интерфейс) меньше, чем в объемном никеле, на 3.7%, а расстояние между подложкой и интерфейсовым В МПА[4,5] потенциальная энергия имеет вид адслоем никеля dCu также на 2% уменьшается 1-Ni(i) и практически соответствует межслоевому расстоянию E = Fi(i ) +1/2 (ri j ). (1) в никеле. Причем в обоих случаях поверхностный слой i i j 556 Г.Г. Русина, И.Ю. Скляднева, Е.В. Чулков Рис. 1. Рассчитанные фононные дисперсионные кривые для релаксированной 30-слойной пленки 2ML Ni/Cu(100). Поверхностные состояния показаны черными кружками.

подложки релаксирует по направлению к адслоям, в ре- Основным результатом в этом случае является нализультате чего первое межслоевое расстояние в подложке чие сильной гибридизации вертикально поляризованной dCu увеличивается на 0.4–1.2%. Такое поведение моды адслоя с релеевской модой подложки при умень1-Cuне характерно для чистых поверхностей ГЦК металлов шении волнового вектора k. Частота этого состояния с плотной упаковкой (100) и (111), где изменение уменьшается значительно быстрее, чем в случае помежслоевого расстояния на поверхности обычно не верхности Ni(100) [3,8]. Чем меньше k, тем глубже превышает нескольких процентов. Так, например, релак- релеевская мода проникает в подложку и тем слабее сация верхнего атомного слоя для Cu(100) и Ni(100) влияние адсорбата. Это приводит к тому, что при малых составляет 1.4-2.0%, что хорошо согласуется с дру- значениях k эта мода ведет себя как релеевская мода гими расчетами [10,11]. Таким образом, с одной стороны, поверхности Cu(100). Другой особенностью является наблюдается усиление релаксации поверхности при на- появление высокочастотных поверхностных состояний несении адслоев, с другой стороны, полученные резуль- выше объемного спектра.

таты показывают, что с увеличением толщины покрытия Дисперсионные кривые для 2ML Ni/Cu(100) вдоль (Ni) и удалением поверхностного слоя Ni от подложки направлений M и X двумерной ЗБ приведены на Cu релаксация в поверхностном слое уменьшается. рис. 1. В настоящей работе ограничимся рассмотреРасчет колебательных спектров проводился в модели нием этих направлений, поскольку для них имеются тонких пленок. Для этого использовалась 30-слойная экспериментальные данные [3]. Как видно из рисунка, пленка Cu(100), на которую с обеих сторон наносился в направлении M ниже проекции объемных мод имеслой (1 или 2 ML) никеля со структурой p(1 1). ются два поверхностных состояния. Нижнее, с частотой Дисперсионные кривые рассчитывались для релаксаци- 4.72 THz в точке M, представляет собой релеевскую онных поверхностей 1ML Ni/Cu(100) и 2MLNi/Cu(100) моду подложки и связано с колебаниями атомов подвдоль всех направлений двумерной зоны Бриллюэна ложки в направлении, перпендикулярном поверхности.

(ЗБ). Спектр поверхностных состояний и его подробное Второе состояние проявляется только в окрестности описание для 1ML Ni/Cu(100) опубликованы в [8]. точки M (4.93 THz), оно полностью локализовано на Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. Колебательные состояния на поверхностях Cu (100) с адслоями Ni Необходимо подчеркнуть, что кроме нижней моды в направлении M, полностью локализованной на подложке, все остальные поверхностные состояния либо относятся к адслоям никеля, либо это смешанные моды, когда в колебаниях участвуют как атомы подложки, так и атомы адсорбата. Последнее свидетельствует о сильной гибридизации колебательных состояний подложки и адслоев. Другой особенностью является появление высокочастотных поверхностных мод в точке. Такие состояния характерны для вицинальных (ступенчатых) металлических поверхностей [12] и не существуют на поверхностях (100) и (111) ГЦК металлов.

Локальная плотность состояний (LDOS) для 1ML Ni/Cu(100) и 2ML Ni/Cu(100) показана на рис. 2. Здесь же (штриховая линия) приведена LDOS для центрального слоя медной пленки, плотность состояний нормирована на единицу. Можно выделить три пика в LDOS для поверхностного слоя. Основной вклад в первый пик дают низкочастотные моды, расположенные ниже объемных состояний. Второй пик определяется состояниями на границе ЗБ в запрещенных щелях. Все они имеют смешанный характер колебаний. Третий (высокочастотный) пик связан с продольными и поперечными колебаниями атомов адслоев. Из рис. 2, b наглядно видно, что максимальная локализация поверхностных состояний приходится на интерфейсный слой никеля ( 70%). Наблюдается также смягчение фононных мод по отношению к объемным состояниям, но значительно менее выраженное, чем в случае чистых поверхностей Cu(100) и Ni(100) [10,11]. Анализ LDOS показал, что уже второй слой подложки практически не отличается от центрального слоя пленки.

Значительное влияние на колебательные спектры окаРис. 2. Локальная плотность состояний (сплошная линия) зывает изменение межатомных взаимодействий при наa) для 1ML Ni/Cu(100); b) для 2ML Ni/Cu(100) вместе с обънесении адсорбатов, поэтому мы провели расчет силоемной плотностью (штриховая линия).

вых постоянных для 1ML Ni/Cu(100) и 2MLNi/Cu(100).

Анализ полученных результатов показал, что происходит сильное ослабление межатомных взаимодействий поверхностном слое никеля и имеет ту же поляризацию, в плоскости интерфейсового слоя Ni ( 50%) по сравчто и предыдущее состояние. Таким образом, при нане- нению с объемными значениями в никеле. Такое ослабсении второго адслоя никеля начинает формироваться ление не характерно для чистых поверхностей Cu(100) релеевская мода адслоя. Подобное состояние в случае и Ni(100) и его можно отнести к влиянию подложки.

одного монослоя Ni отсутствует. В работе [3] экспери- Это изменение межатомного взаимодействия нельзя ментально полученное нижнее поверхностное состояние объяснить только релаксацией поверхности, необходидля 2ML Ni/Cu(100) имеет частоту 4.95 THz в точке M, мо также учитывать изменения электронной структуры что хорошо согласуется с нашими данными. Выше в пленках никеля. Теоретические расчеты, проведенные объемного спектра вдоль всех направлений ЗБ имеется для этих систем [13], показали наличие сильной гибридидвукратно вырожденное поверхностное состояние, на зации электронных орбиталей меди и никеля и переноса 100% локализованное в адслоях. В направлении M заряда из подложки в интерфейсовый слой никеля. Что и X эта мода расщепляется на две, которые соответ- касается силовых постоянных между первыми двумя ствуют продольным (нижнее) и вертикальным (верхнее) слоями в системах 1ML Ni/Cu(100) и 2ML Ni/Cu(100), колебаниям атомов. При этом колебательные моды мак- то они больше объемных значений на 20-30%. Тасимально локализованы ( 80%) на интерфейсном слое кое поведение характерно для поверхности (100) ГЦК никеля. Подобное состояние имеется и в направлении металлов и наблюдалось для чистых поверхностней X, но с поперечными колебаниями атомов в плоскости Cu(100) и Ni(100) [3]. Имеется незначительное усиление интерфейса. ( 3.5%) межатомных взаимодействий в поверхностном Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 558 Г.Г. Русина, И.Ю. Скляднева, Е.В. Чулков слое подложки Cu1 в сравнении с объемными значениями. Сравнение наших результатов с данными о силовых постоянных в работе [3] показало хорошее согласие.

Таким образом, из расчетов равновесной геометрии поверхности можно сделать вывод, что значительную релаксацию поверхности вызывает присутствие 1ML никеля, при увеличении толщины покрытия и удалении поверхностного слоя (Ni) от подложки (Cu) релаксация в поверхностном слое уменьшается. Проведенные в настоящей работе расчеты колебательных состояний в системах 1ML Ni/Cu(100) и 2MLNi/Cu(100) показали, что в первой системе при малых значениях волнового вектора k возникает сильная гибридизация вертикально поляризованной колебательной моды адслоя с релеевской модой подложки. Релеевская мода адсорбата отсутствует и начинает формироваться только при нанесении второго адслоя никеля. Практически все поверхностные состояния в случае 2ML Ni/Cu(100) локализованы на адслоях никеля. Особенностью этой системы является наличие высокочастотных поверхностных мод в точке, что характерно только для вицинальных поверхностей ГЦК металлов. Анализ силовых постоянных для 1ML Ni/Cu(100) и 2ML Ni/Cu(100) показал, что происходит сильное ослабление межатомных взаимодействий в интерфейсовом слое никеля и увеличение силовых постоянных между первыми двумя слоями по сравнению с объемными значениями.

Список литературы [1] R. Berndt, J.P. Toennies, Ch. Woll. J. Electron. Spectrosc.

Relat. Phenom. 44, 183 (1987).

[2] W. Daum. J. Electron. Spectrosc. Relat. Phenom. 44, (1987).

[3] C. Stuhlmann. H. Ibach. Surf. Sci. 219, 117 (1989).

[4] M.S. Daw, M.I. Baskes. Phys. Rev. B 29, 6443 (1984).

[5] S.M. Foiles, M.I. Baskes, M.S. Daw. Phys. Rev. B 33, (1986).

[6] T.S. Rahman, J.E. Black. Phys. Rev. B 48, 5530 (1993).

[7] J.E. Black, Z.J. Tian, T.S. Rahman. Surf. Sci. 291, 215 (1993).

[8] I.Yu. Sklyadneva, G.G. Rusina, E.V. Chulkov. Surf. Sci. 433– 435, 517 (1999).

[9] W. Kohn, L.J. Sham. Phys. Rev. A 140, 1133 (1965).

[10] M. Rocca, S. Lehwald, H. Ibach, T.S. Rahman. Surf. Sci. 171, 632 (1986).

[11] M. Wutting, R. Franchy, H. Ibach. J. Phys. B 65, 71 (1986).

[12] I.Yu. Sklyadneva, G.G. Russia, E.V. Chulkov. Surf. Sci. 416, 17 (1998).

[13] Wang Ding-sheng, A.J. Freeman, H. Krakauer. Phys. Rev.

B 26, 3, 1340 (1982).




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.