Особенности электронной структуры и объемные и поверхностные свойства неупорядоченных сплавов Ag-Pd, Al-Zn, Fe-Ni/Cu(001) тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат физико-математических наук Смирнова, Екатерина Александровна

• Смирнова, Екатерина Александровна
• кандидат физико-математических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Смирнова, Екатерина Александровна

Оглавление

Введение

1. Электронная структура и аномалии физических свойств в системах Ag-Pd, Al-Zn, Fe-Ni

1.1. Особенности электронной структуры

1.2. Результаты исследования физических свойств и электронной структуры неупорядоченных сплавов систем Ag-Pd, Al-Zn, Fe-Ni

1.2.1. Система Ag-Pd

1.2.2. Система Al-Zn

1.2.3. Система Fe-Ni

2. Первопринципные методы расчета электронной структуры

2.1. Теория функционала плотности

2.2. Приближение когерентного потенциала

2.3. Метод линеаризованных muffin-tin орбиталей (ЛМТО)

2.3.1. Энергия Маделунга неупорядоченных металлических сплавов в ПКП

2.3.2. Методика расчета спектральной функции в ЛМТО-ПКП

2.3.3. Методика учета распределения Ферми для расчетов электронной структуры при конечных температурах

2.4. Метод локально самосогласованной гриновской функции (ЛСГФ)

3. Исследование электронной структуры объемных неупорядочен-

ных сплавов

3.1. Исследования сплавов системы Ag-Pd

3.1.1. Поверхность Ферми

3.1.2. Электронная структура

3.1.3. Термодинамические и кинетические свойства

3.2. Исследования сплавов системы Al-Zn

3.2.1. Поверхность Ферми

3.2.2. Электронная структура и термодинамические свойства

4. Исследование поверхностных свойств неупорядоченных сплавов

4.1. Метод ЛМТО-ФГ для расчета поверхностных характеристик металлов и сплавов

4.2. Поверхностные сегрегации в системе Al-Zn

4.3. Магнитные свойства монослоя сплавов системы Fe-Ni на подложке Cu(OOl)

Основные результаты и выводы

Заключение

Литература

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Особенности электронной структуры и объемные и поверхностные свойства неупорядоченных сплавов Ag-Pd, Al-Zn, Fe-Ni/Cu(001)»

Введение

Электронная теория металлов и сплавов является обширной областью современной физики твердого тела и одной из ее задач является детальное описание равновесных и неравновесных свойств металлических систем на основе их электронной (или зонной) структуры. Знание электронной структуры позволяет прямо определить большую группу свойств металлов: поверхности Ферми, скорости на поверхности Ферми, эффективные массы, магнетосопротивление, циклотронный резонанс, аномальный скин-эффект, плотность состояний, теплоемкость, плотность частиц и их распределение по импульсам, упругие свойства, константы электрон-фононной связи. Также сюда относятся различные параметры переноса: электрическая проводимость и теплопроводность, коэффициент Холла. Их зависимость от давления и температуры определяет электронные, структурные и другие превращения, температуру плавления и фазовые диаграммы. В химических сплавах добавляются перенос заряда и свойства связей. Зонная теория также дает основу для количественного понимания таких кооперативных явлений, как сверхпроводимость и магнетизм.

Используя современные методы зонной теории, основанные на теории функционала плотности, можно исследовать различные нарушения идеальной кристаллической структуры, такие как вакансии, точечные дефекты замещения, междоменные границы, чистые и грязные внешние поверхности и интерфейсы, энергии внешних поверхностей, работу выхода, поверхностный барьер, поверхностные сегрегации, магнитные свойства и многое другое.

В настоящее время достигнут большой прогресс в исследованиях фазовой

стабильности твердых тел, основываясь на фундаментальных квантовомехани-ческих представлениях. Разработанные эффективные методы и вычислительные мощности современных компьютеров дают возможность проводить расчеты электронной структуры и термодинамических свойств достаточно сложных систем, таких как неупорядоченные сплавы, как в объемном, так и в поверхностном случае, задаваясь только атомными номерами элементов и кристаллической структурой.

Первопринципные расчеты позволяют с достаточной точностью определить макроскопические свойства исследуемой системы и дают описание механизма химической связи на уровне электронной структуры, параметров межатомных взаимодействий, показывают взаимосвязь микроскопических и макроскопических характеристик системы.

Настоящая работа посвящена исследованиям электронной структуры объемных и поверхностных неупорядоченных сплавов на основе первопринципных расчетов. Базируясь на теории функционала плотности, методом линейных muffin-tin орбиталей (ЛМТО) - функции Грина (ФГ) рассмотрено влияние особенностей электронной структуры на термодинамическую стабильности и свойства ряда систем.

1. Исследованы электронные топологические переходы (ЭТП) в неупорядоченных сплавах систем Ag — Pd и Al — Zn. Проанализировано влияние изменений топологии поверхности Ферми на термодинамическую стабильность и свойства этих систем.

2. Исследованы поверхностные сегрегации для неупорядоченных сплавов системы Al — Zn.

3. Изучены магнитные свойства тонких железно-никелевых пленок и проведен анализ изменения магнетизации сплавов системы Fe — Ni при переходе от объемных сплавов к тонким пленкам.

Первая глава содержит краткий обзор последних достижений в области ис-

следования электронной структуры неупорядоченных сплавов в объемном и поверхностном случае. Рассматриваются основные положения теории электронных топологических переходов. Здесь же описываются основные результаты экспериментальных и теоретических исследований систем Ag-Pd, Al-Zn и Fe-Ni.

Вторая глава посвящена принципам теоретического исследования электронной структуры и свойств твердых тел. Рассматривается теория функционала плотности (ТФП), как наиболее подходящий способ описания многоэлектронной системы. Описывается приближение когерентного потенциала (ПКП). Приводятся основные уравнения метода линеаризованных muffin-tin орбиталей в ПКП (ЛМТО-ПКП) и метода локально самосогласованной функции Грина (ЛСГФ). Также рассматриваются методика расчета спектральной функции и методика учета распределения Ферми для расчетов при конечных температурах.

В третьей главе приводятся результаты исследований электронной структуры и топологии поверхности Ферми неупорядоченных сплавов систем Ag-Pd и Al-Zn. Рассматривается влияние ЭТП на термодинамические свойства и стабильность сплавов этих систем.

Четвертая глава посвящена моделированию поверхностных характеристик неупорядоченных сплавов. Рассматриваются основные положения метода ЛМТО-ФГ-ПКП для расчета двумерных систем. Исследуются поверхностные сегрегации неупорядоченных сплавов системы Al-Zn и магнитные свойства тонких пленок Fe-Ni на подложке меди.

Заключение диссертации по теме «Физика конденсированного состояния», Смирнова, Екатерина Александровна

Основные результаты и выводы

1.Разработана методика расчета в рамках теории функционала плотности методом ЛМТО-ФГ-ПКП термодинамических свойств неупорядоченных сплавов при конечных температурах.

2. Проведен анализ топологических переходов и рассчитаны термодинамические свойства неупорядоченных сплавов системы Ag-Pd. Показано, что изменения топологии поверхности Ферми приводят к образованию особенностей в концентрационной зависимости ряда свойств.

3. Впервые рассчитаны электронная структура и термодинамические свойства неупорядоченных сплавов системы А1^п. Исследованы электронные топологические переходы в сплавах системы и показано влияние ЭТП на значение плотности электронных состояний на уровне Ферми. Аналитически показано, что наличие особенности в плотности электронных состояний приводит к появлению особенности того же вида, но противоположного знака, в концентрационной зависимости второй производной энергии образования сплава по концентрации, ¿2Н/<1с2. Рассчитаны термодинамические свойства неупорядоченных сплавов, которые находятся в хорошем согласии с экспериментальными данными. Воспроизведены главные точки фазовой диаграммы системы А1^п с помощью построения концентрационных зависимостей свободной энергии при различных температурах. Температура закрытия монотектоидного купола завышена по сравнению с экспериментальными данными, но находится в пределах погрешности расчетов.

4. Проведены расчеты поверхностных энергий в системе А1^п. Показано, что цинк имеет тенденцию сегрегироваться на поверхности алюминия. Обнаружено, что энтальпия образования поверхностных сплавов положительна, следовательно, можно ожидать расслоения поверхностного раствора.

5. Впервые проведен расчет магнитных свойств тонких пленок ГЦК сплава Ге-№ на подложке Си(001). Показано, что один монослой Бе-Ш остается ферромагнитным во всем концентрационном интервале, в отличие от объемного случая, что объясняется наличием неравновесного параметра решетки, понижением размерности системы и взаимодействием с медной подложкой. Таким образом, исследование магнитных свойств тонких пленок и сравнение полученных результатов с данными для объемных сплавов показало невозможность прямой экстраполяции результатов изучения тонких пленок на объемный случай.

Заключение

Предлагаемая расчетная схема дает надежные результаты и значительно сокращает вычислительные затраты по сравнению со стандартными методиками. Данный подход позволил исследовать влияние изменений топологии Ферми поверхности на термодинамические свойства и стабильность систем. Развитие метода для исследования двумерных систем позволило изучать поверхностные свойства различных систем. Таким образом, он может найти широкое применение для 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 кандидату физико-математических наук Коржавому П.А. за постоянное участие и интерес к данной работе.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Смирнова, Екатерина Александровна, 1999 год

Литература

[1] Lifshits I. M. Zh. Eksp. Teor. Fiz. 1960. V.38. p.1569

[2] Белоголовский M. A., Галкин A. A., Свистунов В. M. ЖЭТФ. 1975. т.69. стр.1795

[3] Вол А. Строение и свойства двойных металлических систем. М.: Гос.изд. физ.-мат. литературы, 1962.

[4] Taylor A. Crystallographic Data of metal and alloy Structures. NewYork: Dover, 1963.

[5] Mott N. F. The theory of the properties of metal and alloys.-Oxford, 1936.

[6] Stocks G. M. Phys.Rev.B. 1984. V.29. p.4217

[7] Stocks G. M. Journ.Phys. F3. 1973. p.1688

[8] Norris C. Journ.Phys. Fl. 1974. p.62

[9] Schmidt B. F. Phys.Rev.B. 1973. VI. p.4015

[10] Bruno E. Phys.Rep. -1994. p.353

[11] Mott N. F. Proc.Phys.Soc. 1935. V.47. p.571

[12] Мастеров В. А. Серебро, сплавы и биметаллы на его основе. М.: Металлургия, 1979.

[13] Myles К. М. Acta Metallurgica. 1965. V 13. р.109

114

[14] Pearson W. B. A handbook of lattice and Structure metal and alloys.- Oxford: Pergamon, 1958

[15 [16 [17 [18

[19

[20 [21

[22 [23

[24

[25 [26

S.Mey, Z.Metallkd. V.84 p.451 1993

Э.Е.Эмирбеков, Физика металлов и металловедение, т.68, стр. 1135, 1989

J.Desplat, F.Bley and F.Livet, Acta materialia, V 44, p.2839, 1996

J. Mainville, Y. S. Yang, K. R. Erder, M. Sutton, K. F. Ludwig, Jr, and G. B. Stephenson, Phys. Rev. Lett., 78, 2787, (1997).

R.Ciach, J.Dutkiewicz, A.Pawlowski et al, in Properties of Complex Inorganic Solids, edited by Gonis et al, Plenum Press, New York, p.403 1997

C. E. Guillaume, C. R. Acad. Sei 125, 235, (1897).

E. F. Wasserman, in Ferromagnetic Materials, edited by К. H. J. Buschow and E. P. Wohlfarth (North-Holland, Amsterdam, 1990), Vol. 5, p. 237.

R. J. Weiss, Proc.R.Soc. London 82, 281, (1963).

J. Madsen, О. K. Andersen, U. K. Poulsen, and 0. Jepsen, Proc. Conf. Magn. and Magn. Materials 1975, (American Institute of Physics, New York, 1976), p. 327

О. K. Andersen, J. Madsen, U. K. Poulsen, 0. Jepsen, and J. Kollar, Physica В 86-88, 249 (1977).

D. M. Roy and D. G. Pettifor, J. Phys. F 7, L183 (1977).

V. L. Moruzzi, P. M. Marcus, K. Schwarz, and P. Mohn, Phys. Rev. В 34, 1784 (1986).

V. L. Moruzzi, Physica В 161, 99 (1989).

V. L. Moruzzi, Phys. Rev. В 41, 6939 (1990).

115

[29] V. L. Moruzzi, Solid State Commun. 83, 739 (1992).

[30] P. Mohn, K. Schwarz, and D. Wagner, Phys. Rev. B 43, 3318 (1991).

[31] I. A. Abrikosov, 0. Eriksson, P. Söderlind, H. L. Skriver, and B. Johansson, Phys. Rev. B 51, 1058 (1995).

[32] D. D. Johnson, F. J. Pinski, J. B. Staunton, B. L. Györffy, and G. M. Stocks, in Physical Metallurgy of Controlled, Expansion Invar-Type Alloys, edited by K. C. Russell and D. F. Smith (The Minerals, Metals k Materials Society, 1990), p. 3; D. D. Johnson and W. A. Shelton, in The Invar effect: A Centennial Symposium, edited by J. Wittenauer (The Minerals, Metals & Materials Society, 1997), p. 63.

[33] Y. Wang, G. M . Stocks, D. M. C. Nicholson, W. A. Shelton, V. P. Antropov, and B. Harmon, J. Appl. Phys. 81, 3873 (1997).

[34] S. Z. Wu, F. 0. Schuman, G. J. Mankey, and R. F. Willis, J. Vac. Sei. Technol. B 14, 3189 (1996).

[35] J. W. Freeland, I. L. Grigorov, and J. C. Walker, Phys. Rev. B 57, 80 (1998).

[36] F. 0. Schuman, S. Z. Wu, G. J. Mankey, and R. F. Willis, J. Appl. Phys 79, 5635 (1996).

[37] F. 0. Schuman, S. Z. Wu, and R. F. Willis, J. Appl. Phys 81, 3898 (1997).

[38] G. J. Mankey, S. Z. Wu, F. 0. Schuman, F. Huang, M. T. Kief, and R. F. Willis, J. Vac. Sei. Technol. A 13, 1531 (1995).

[39] P. Hohenberg and W. Kohn, Phys. Rev. 136, B 864 (1964).

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

[41] Johnson D.D., Nicholson D.M., Pinsky F.J., Gyorffy B.L., Phys. Rev. B 1990. V. 41. p. 9701

[42] 0. K. Andersen, Phys. Rev. B 12, 3060 (1975).

[43] Skriver H. L. The LMTO method.- Berlin, Heidelberg: Springer, 1984.

[44] 0. K. Andersen and 0. Jepsen, Phys. Rev. Lett. 53, 2571 (1984).

[45] Andersen 0. K., Pawlowska Z., Jepsen 0. Phys.Rev.B. 1986. V.34. p.5253

[46] Zeller R., Deutz J., Dederichs P. H. Solid State Commun. 1982. V. 44. N 4. p. 993

[47] Akai H. J.Phys.:Condens.Matter. 1989. V.l. p.804

[48] R. Magri, S.-H. Wei, and A. Zunger, Phys. Rev. B 42, 11388 (1990).

[49] Z. W. Lu, S.-H. Wei, A. Zunger, S. Frota-Pessoa, and L. G. Ferreira, Phys. Rev. B 44, 512 (1991).

[50] I. A. Abrikosov, Yu. H. Vekilov, P. A. Korzhavyi, A. V. Ruban, and L. E. Shilkrot, Solid State Commun. 83, 867 (1992).

[51] P. A. Korzhavyi, A. V. Ruban, S. I. Simak, and Yu. Kh. Vekilov, Phys. Rev. B 49, 14229 (1994).

[52] P. A. Korzhavyi, A. V. Ruban, I. A. Abrikosov, and H. L. Skriver, Phys. Rev. B 51, 5773 (1995).

[53] Lloyd P.,( 1967),Proc.Phys.Soc.,90,207.

[54] Gyorffy B.L., Stocks G.M.,(1974),J.Phys.C4,v.35,p 4.

[55] K.Wildberger, P.Lang, R.Zeller and P.H.Dederichs, Phys. Rev. B V. 52, p.11502 1995

[56] I.A.Abrikosov, S..I.Simak et al, Phys. Rev. B V. 56, p. 9319 1997

[57] D. M. C. Nicholson, G. M. Stocks, Y. Wang, W. A. Shelton, Z. Szotek, and W. M. Temmerman, Phys. Rev. B 50, 14686 (1994).

[58] Gunnarsson 0., Jepsen 0., Andersen 0. K. Phys. Rev. B: 1983 V. 27. p. 7144

[59] H. L. Skriver and N. M. Rosengaard, Phys. Rev. B 43 9538 (1991).

[60] J. P. Perdew and A. Zunger, Phys. Rev. B 23, 5048 (1981).

[61] J. P. Per dew et al, Phys. Rev Let. V 77, p. 3865 (1996)

[62] S-L. Chen, Y.A.Chang, CALPHAD Vol.17 p. 113 1993

[63] B. Wenzien, J. Kudrnovsky, V. Drchal, and M. Sob, J. Phys. Condens. Mater. 1, 9893 (1989).

[64] N. M. Rosengaard and H. L. Skriver, Phys. Rev. B 47, 12865 (1993).

[65] A. Christensen, A. V. Ruban, P. Stoltze, K.W. Jacobsen, H. L. Skriver, and J. K. Norsk0v, Phys. Rev. B, 56 (1997) 5822.

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

[67] 0. N. Mryasov, A. V. Gubanov, and A. I. Liechtenstein, Phys. Rev. B 45, 12330 (1992).

[68] V. P. Antropov, M. I. Katsnelson, M. van Schilfgaarde, and B. N. Harmon, Phys. Rev. Lett. 75, 729 (1995); V. P. Antropov, M. I. Katsnelson, B. N. Harmon, M. van Schilfgaarde, and D. Kusnezov, Phys. Rev. B 54, 1019 (1996).

[69] A. P. Malozemoff, A. R. Williams, and V. L. Moruzzi, Phys. Rev. B 29, 1620 (1984).

[70] E. S. Stoner, Proc. Roy. Soc., 165, 372 (1938).