Molecular dynamics simulation of gold growth on MnAs

Abstract

Within the framework of this work an Embedding Atom Method (EAM) potential for the MnAs/Au interface system has been generated and successfully applied to investigate the main objective of the thesis: performing a Molecular Dynamics (MD) simulation of gold growth on MnAs and analyzing the grown gold structure. Further, this work provides a new effective potential, not only for MD simulations of MnAs/Au interface systems, but also for MnAs bulk systems. Both systems have never been described with MD simulations and, consequently, no effective potential had been developed for those systems until now.MnAs is a ferromagnetic transition metal compound, which can be grown as different shaped, sized, and arranged nanoclusters on GaAs substrates. It is therefore a promising material for magnetoelectronic devices. An example for such devices is non-volatile magnetic random-access memory (MRAM). MRAM functionality is based on the giant or tunnel magnetoresistance (GMR or TMR), already successfully used in read heads of magnetic hard drives. GMR-like behaviour has been observed when performing magnetotransport measurements through an arrangement of two MnAs nanocluster connected via a thin gold layer. For a theoretical treatment of those magnetotransport measurements, the preparing step is to analyze the structure of gold on MnAs. The analysis is done within a combined approach of MD and a force-matched potential for MnAs/Au.Force Matching - fitting a potential model to abinitio data - is an iterative optimization process with a various number of parameters. Since this process is by far no simple black box, detailed descriptions of the explicit steps and fitting strategies are given in this work.Validating the generated potential by comparison to structural properties and surface energies to abinitio and experimental values showed the reliability of the potential. With the potential, surface simulations were performed to analyze the stability of different surface facets and terminations for the deposition simulations. At two surfaces As dimers were forming and desorbing from the surface. In one case Mn diffusion into the substrate was observed.On the stablest surface, deposition simulations of gold on MnAs revealed a growth mode known as the Stranski-Krastanov growth. After building a wetting layer of one monolayer thickness, the deposited gold atoms grow mainly in an fcc structure with several stacking faults and twin boundaries. Further analysis showed that the lattice mismatch between gold and the MnAs surface is responsible for the defects. This mismatch also explains the orientation of the cubic fcc unit cells, which are tilted upright and stay on one corner with respect to the substrate. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Embedding Atom Method (EAM) Potential für das MnAs/Au Schichtsystem erzeugt und erfolgreich angewandt um die Hauptzielsetzung der vorliegenden Arbeit zu untersuchen: Die Durchführung einer Molekulardynamik (MD) Simulation von Goldwachstum auf MnAs und die Analyse der gewachsenen Goldstruktur. Weiter stellt diese Arbeit ein neues effektives Potential zur Verfügung, nicht nur für MD Simulationen von MnAs/Au Schichtsystemen, sondern auch für Systeme mit MnAs Bulk. Beide Systeme sind noch nicht mit MD beschrieben worden und folgerichtig wurde für diese Systeme bis zum jetzigen Zeitpunkt kein effektives Potential entwickelt.MnAs ist eine ferromagnetische Verbindung aus Übergangsmetallen, die in unterschiedlich geformte, verschieden große und beliebig angeordnete Nanocluster auf GaAs Substraten gewachsten werden können. Es ist daher ein vielversprechendes Material für magnetoelektronische Bauelemente. Ein Beispiel für Bauelemente dieser Art ist der nicht-flüchtige magnetische Random-Access Memory Speicher (MRAM). Die Funktionsweise von MRAM basiert auf dem Riesenmagnetowiderstand (engl. GMR) oder dem magnetischen Tunnelwiderstand (engl. TMR), welche schon erfolgreich in Leseköpfen von magnetischen Festplattenspeicher eingesetzt werden. Bei Magnetotransportmessungen durch eine Anordnung von zwei MnAs Nanocluster, die über eine dünne Goldschicht verbunden sind, wurde GMR-ähnliches Verhalten beobachtet. Für eine theoretische Beschreibung der Transportmessungen dient als Vorbereitung zunächst die Analyse der Goldstruktur auf MnAs.Die Analyse wird in einem kombinierten Ansatz aus MD und einem force-matched Potential für MnAs/Au durchgeführt. Force Matching - das Anpassen eines Potentialmodells an abinitio Daten - ist ein iterativer Optimierungsprozess mit einer Vielzahl von Parametern. Da der Prozess bei weitem keine einfache schwarze Box ist, werden in dieser Arbeit ausführliche Beschreibungen der expliziten Schritte und Anpassungsstrategien gegeben. Die Validierung des erzeugten Potentials anhand von Vergleichen an strukturelle Eigenschaften sowie Oberflächenenergien mit abinitio und experimentellen Werten zeigt die Verlässlichkeit des Potentials. Mithilfe des Potentials wurden Oberflächensimulationen durchgeführt um die Stabilität verschiedener Oberflächenterminierungen für die späteren Wachstumssimulationen zu untersuchen. An zwei Oberflächen bildeten sich As Dimer, welche auch teilweise von der Oberfläche desorbierten. In einem anderen Fall diffundierten Mn Atome in das Substrat. Auf der stabilsten Oberfläche zeigten Wachstumssimulationen von Gold auf MnAs das bekannte Stranski-Krastanov-Wachstum. Nachdem eine Benetzungsschicht von einer Monolage gebildet wurde, wachsen die aufgetragenen Goldatome hauptsächlich in einer fcc Gitterstruktur mit einigen Stapelfehlern und Zwillingsgrenzen. Weiterführende Untersuchungen zeigten, dass die Gitterfehlanpassung zwischen Gold und der MnAs Oberfläche für die Defekte verantwortlich ist. Diese Fehlanpassung erklärt auch die Orientierung der kubischen fcc-Einheitszelle, welche in Bezug auf das Substrat aufrecht gedreht ist und auf einer Würfelecke steht.