Наноструктуры кобальта на поверхности меди по данным молекулярно-динамического моделирования (1104018), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Альтернативныйдиффузионный путь соответствует движению параллельно атомной цепочке. Притаком механизме диффузии адатом занимает положение у конца цепочки, темсамым удлиняя её (траектория с пометкой "цепь"). Для каждой из двух описанныхтраекторий были рассчитаны диффузионные барьеры с учётом потенциаладальнодействующего взаимодействия адатомов. Результаты расчётов графическипредставлены на рис. 3(в). Отталкивающее взаимодействие адатомов на короткихрасстояниях приводит к высокому диффузионному барьеру для первой траектории(рис. 3(в), пунктир). Напротив, для второй траектории энергетический барьерРис. 3.
Формирование атомных цепочек Co наповерхности Cu(111). (а) Фрагмент СТМ снимка2.1·10-2 монослоя Co при температуре T=19 K. Всредней и верхней части снимка выделяются триатомные цепочки. Эксперимент: К. Керн, Phys.Rev. B 65, 115420 (2002). (б) Схема атомнойконфигурации,использованнойврасчётахэнергетических барьеров диффузии адатома Co.Числа обозначают положения адатома Co.
(в)График диффузионного барьера для адатома Co,как функции положения адатома. Для траекторииформирования компактного острова указанотолько максимальное значение барьера (пунктир).слабо зависит от дальнодействующеговзаимодействия между адатомами (рис.3(в), сплошная линия).
Это обусловленотем, что в случае движения параллельноатомной цепочке смещения адатомапрактическиперпендикулярнынаправлению на ближайший к нему атомцепочки. В результате вклад энергиидальнодействующего взаимодействия адатомов в полную энергию остаетсяприблизительно постоянным вдоль всего диффузионного пути. Следовательно,при низкой температуре движение адатома параллельно атомной цепочкезначительно более вероятно, чем по направлению к цепочке. Адатом быстреедостигает конца цепочки, чем её центральной части, что приводит к ростуцепочек, наблюдаемому экспериментально.В работе было исследовано когерентное погружение плоских кластеровкобальта в поверхность Cu(001).
Были рассчитаны изменения энергии системыпри погружении кластеров различного размера в первый, второй и третий слои11подложки. Показано, что для всех размеров кластера погружение вплоть дотретьего слоя является энергетически выгодным. Дальнейшее погружениеприводит к пренебрежимо малым изменениям энергии. Также было показано, чтопокрытие кластеров кобальта атомамимеди приводит к понижению энергиисистемы.Экспериментальныенаблюдения указывают на то, что подчастицамикобальтасуществуетзначительноедавление,котороесопоставимостеоретическимпределом прочности меди. Дляколичественнойпроверкиэтогопредположениянамибылорассчитанораспределениегидростатического напряжения вРис. 4.
Распределение гидростатисескогокластере Co36 и в подложке под нимнапряжения в кластере Co36 и в подложке под(рис. 4). Подложка под кластеромним.испытывает сжатие, а за егограницами - сильное растяжение. Средняя величина давления под кластеромсоставляет 10 ГПа, т.е. 7 % от значения модуля всестороннего сжатия меди (142ГПа). Также было проведено сравнение величины давления, которое оказывают наповерхность кластеры кобальта, покрытые атомами меди, и кластеры безпокрытия. Показано, что покрытие кластеров слоем атомов меди в ≈2 разаувеличивает давление под кластером. Полученные результаты позволяютзаключить, что покрытие кластеров кобальта атомами меди способствует ихкогерентному погружению в подложку.Когерентное погружение кластеров должно сопровождаться значительнымиструктурными изменениями в подложке.
В настоящей работе проведеноисследование микроскопического механизма погружения атомов и кластеровкобальта в поверхность Cu(001). Для погружения отдельного атома Co быловыявлено два различных механизма. Первый механизм соответствует известнойдеформационной модели. Атом Co внедряется в верхний слой подложки илокально создаёт деформацию сжатия. Образовавшаяся деформация легкораспространяется по поверхности за счёт коллективного смещения атомов вдольрядов с плотной упаковкой. Снятие деформации происходит, когда один изудалённых атомов подложки выходит на поверхность.
Альтернативный механизмпогружения атома Co основан на образовании вакансий в верхнем слоеповерхности. Атом Co попадает в поверхность, заполняя собой вакансию.12Погружение во второй и более глубокие слои становится возможным благодаряобразованию в подложке вакансионных кластеров из нескольких слоёв. Вакансиив поверхности Cu(001) могут легкообразовыватьсявозлеадсорбированных кластеров.
Так, былирассчитаны энергетические барьерыобразования вакансий в чистойповерхности Cu(001) и в поверхности украя кластера Co36 (рис. 5). Значениебарьера у края кластера оказалось на≈30 % меньше, чем на чистой Рис. 5. Образование вакансий в подложке уповерхности.Этотрезультат границ кластера Co36.объясняется совместным влиянием двух факторов: деформацией подложки ипритягивающим потенциалом атомов кластера.
Подложка у границ кластераиспытывает растяжение. Это приводит к уменьшению барьера атомного обмена,который аналогичен замещению атома вакансией. С другой стороны,взаимодействие с атомами кластера эффективно увеличивает координационноечисло для атома подложки в процессе его выхода на поверхность и такжеприводит к более низкому значению барьера. Проведённые МД эксперименты дляподложки с вакансиями позволяют заключить, что одиночные вакансии свободномигрируют по поверхности и образуют вакансионные кластеры. На основанииполученных результатов был сделан вывод о вакансионном механизмепогружения кластеров кобальта в поверхность меди.В работе было проведено исследование прыжковой диффузии адатомакобальта на поверхности Cu(111).
С помощью разработанного алгоритмавычисления динамической матрицы были рассчитаны частоты собственныхколебаний адатома в каждой точке его траектории. На основании полученныхданных определено значение предэкспоненциального фактора коэффициентадиффузии ν 0Co / Cu (111) = 2.3 ⋅ 1012 Гц, а также энергетического барьера диффузии∆E dCo / Cu (111) = 37 мэВ.
Столь низкое значение диффузионного барьераобуславливает различный характер диффузии на чистой поверхности и вблизиадсорбированных островов. Для определения влияния мезоскопическихрелаксаций на атомную диффузию были рассчитаны диффузионные барьеры дляадатома Co вблизи островов и ступеней Co на поверхности Cu(111). На рис. 6(а)схематически представлен диффузионный путь адатома, который использовалсяпри расчётах.
Найденные значения энергетического барьера диффузии вблизиострова Co36 графически представлены на рис. 6(б). По мере приближения адатомак границе острова возникают значительные осцилляции диффузионного барьера.Данные осцилляции обусловлены анизотропией диффузии вблизи границы13Рис. 6. Схема диффузионного пути адатома Co понаправлению к острову Co36 (белые кружки). Числа1-10 обозначают прыжки адатома. (б) Графикдиффузионного барьера для адатома Co возлеострова Co36.
(в) Сравнение диффузионных барьеровдля адатома Co возле треугольных островов Coразличного размера и возле ступени Co.острова. Подложка возле острова испытываетрастяжение вдоль направления нормали к егогранице. Значения диффузионного барьера,соответствующее данному направлению,увеличено. Межатомные расстояния вдольграницы острова уменьшены, и движениеадатома в этом направлении характеризуетсянизким диффузионным барьером. С ростомразмера острова Co деформация поверхностиу его границы увеличивается, что приводит косцилляцийбольшейамплитудедиффузионного барьера (рис. 6(в)).
Впредельном случае ступени Co барьерпринимает значения в интервале от 30 мэВдо 52 мэВ. Изменения, таким образом,составляют 60 % от значения барьера начистойповерхности.Такжебылирассмотрены диффузионные барьеры дляадатома Co возле треугольных островов Co спротивоположной, чем на рис. 6(а), ориентацией, и вблизи островов из несколькихатомных слоёв. Во всех случаях было получено осциллирующее изменениезначения барьера при приближении к острову. Интересно, что амплитудаосцилляций барьера возле трёхслойного острова, частично погружённого вподложку, оказывается в ≈2 раза больше, чем возле адсорбированного островатого же размера (ср. с рис. 6(б)). Этот результат обусловлен более сильнойдеформацией поверхности, вызываемой погружённым островом.В четвёртой главе исследовано упругое взаимодействие адатомов,кластеров и атомных ступеней кобальта на поверхности меди.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
