Ab-initio calculations of the electronic and magnetic structure of Au-Fe layers

Abstract

In der vorliegenden Diplomarbeit wurde die elektronische und magnetische Struktur von Au-Fe Schichten auf der Basis von quantenmechanischen Berechnungen untersucht. Um die ab-initio elektronische und magnetische Struktur zu berechnen, wurde das Vienna Ab-initio Simulation Package (VASP) verwendet. Im VASP code sind die Kohn-Sham Gleichungen der Dichtefunktionaltheorie implementiert und die Lösung erfolgt mit einer Ebenen-Wellen-Basis, welche die PAW Methode verwendet. Das 'generalized gradient approximation' (GGA) Funktional wird verwendet um die Effekte der Austausch- und Korrelationswechselwirkung zu beschreiben.<br />Unsere Studie der Au-Fe Schichten basiert auf der Berechnung einer Superzelle, durch die das Schichtsystem simuliert wird. Das bedeutet, dass die kristallographische Einheitszelle aus 20/21 Au- und 1 bis 10 Fe-Schichten besteht. Wir beginnen mit einer einzelnen Fe Schicht und betrachten Schichtdicken von bis zu 10 Fe Schichten, welche durch 20 Au Schichten separiert sind. Da man in realen Systemen nicht von vornherein von einem idealen, flachen 'interface' zwischen Au und Fe ausgehen kann, wurden auch zwei verschiedene Modelle von Interdiffusionsschichten untersucht. Diese beiden Modelle sind jedoch energetisch ungünstiger, daher ist die Annahme eines idealen, flachen 'interface' vermutlich sehr nahe an der experimentellen Situation.<br />Alle Systeme wurden voll relaxiert um ein stabiles Minimum der Energie des Systems zu finden. Der Au 'interlayer' Abstand ist um 3% größer als der experimentelle Ausgangswert. Der Fe 'interlayer' Abstand ist um 5% kleiner. Die magnetischen Momente der Fe Atome am 'interface' sind größer als die 'bulk' Werte (in Abhängigkeit der Anzahl an Fe Atomen).<br />Die magnetischen Fe Schichten induzieren in der benachbarten Au Schicht ein kleines magnetisches Moment.<br />

In the present master thesis the electronic and magnetic structure of Au-Fe layers is studied on the basis of quantum mechanical calculations. To perform the ab-initio electronic and magnetic structure calculations we employ the Vienna Ab-initio Simulation Package (VASP).<br />In the VASP code the Kohn-Sham equations of density functional theory are iteratively solved within a plane-wave basis set using the PAW scheme. The generalized gradient approximation (GGA) functional is used to describe the effects of exchange and correlation.<br />Our simulation of Au-Fe layer systems is based on a supercell approach.<br />This means that we define a crystallographic unit cell consisting of 20/21 Au- plus 1 to 10 Fe-layers. We start from a single Fe layer embedded in Au up to 10 Fe layers again separated by 20 Au layers. Since in real systems it cannot be expected that the interface between Fe and Au is ideally flat 2 different models of interdiffusion have also been studied. Both interdiffusion models are energetically unfavorable which means that our assumption of an ideally flat interface is probably close to the experimental situation.<br />All geometries have been fully relaxed to find the stable minimum energy of the systems. The Au interlayer distances are increased by 3% compared with the experimental data. The Fe interlayer distances are decreased by 5%. The magnetic spin moment of Fe atoms at the interface are enlarged with respect to the bulk value. The magnetic Fe layers induce a small magnetic moment into the adjacent Au layer.