Диссертация: Электронная спектроскопия спиновых состояний поверхности.

Актуальность работы. Для увеличения производительности логических микросхем и увеличения ёмкости систем хранения информации требуется применение устройств, работающих на новых физических принципах. Одним из направлений, реализующих такой подход, является спиновая электроника (спинтроника). Она, в отличие от классической электроники, оперирующей зарядами, предлагает использовать для работы с информацией магнитный момент электрона [1] и является перспективной, активно развивающейся областью физики. В настоящее время ведётся поиск новых спинтронных эффектов и материалов [2]. В работе представлены результаты экспериментального исследования спиновых состояний поверхности кристалла FeNi3(110) и тонких плёнок на его поверхности. Также представлены анализ полученных экспериментальных данных и следующие из него модели изучаемых явлений, основанные на методах теории функционала плотности и физической кинетики. В последней главе диссертации описана методика вторично-электронного эксперимента с применением разработанного и испытанного спинового детектора - многоканального детектора Мотта. Полученные результаты представляют фундаментальный и практический интерес. Анализ температурных зависимостей магнитных свойств поверхности FeNi3(110) важен для понимания физики поверхностного магнетизма. Значения длин спиновой релаксации, полученные для материалов с различным типом проводимости, могут быть использованы при разработке новых твердотельных источников [3] и детекторов [4] поляризованных электронов. Новая методика вторично-электронного эксперимента и прибор, созданный для её реализации, повысят эффективность экспериментов, что сократит время регистрации и сделает возможным исследование новых систем. Целями работы являются: 1. Определение спиновой структуры поверхности FeNi3(110), а также нанесённых на неё тонких плёнок. 2. Разработка методики проведения эксперимента по вторично-электронной спектроскопии с помощью многоканального детектора Мотта. Были поставлены следующие задачи: 1. Измерить поляризацию вторичных электронов различных энергий, выходящих из FeNi3(110) в широком диапазоне температур. Систематизировать полученные результаты. 2. Провести расчёт магнитных свойств системы FeNi3(110) с применением теории функционала плотности. 3. Измерить длину спиновой релаксации в плёнках Pd и LiF на поверхности монокристалла FeNi3(110) для электронов средних энергий. Построить модель, описывающую зависимости поляризации от толщины плёнки. 4. Создать новый многоканальный детектор Мотта, провести испытания прибора. Разработать методику спин-поляризованного эксперимента с его использованием. Научная новизна работы заключается в том, что: 1. Впервые систематически исследован и посредством численного анализа объяснён эффект антипараллельного магнитного упорядочения поверхности кристалла FeNi3(110) относительно его объёма вблизи температуры Кюри. 2. Впервые определены длины спиновой релаксации электронов средних энергий для диэлектрика LiF и металла Pd. 3. Создан новый прибор для детектирования поляризации потока электронов - многоканальный детектор Мотта. Разработана методика эксперимента с его использованием. Практическое значение работы: 1. Эффект антипараллельного магнитного упорядочения поверхности FeNi3 (110) относительно объёма вблизи температуры Кюри может быть использован для создания логических элементов в новых приборах спинтроники. 2. Материалы с существенной длинной свободного пробега относительно спиновой релаксации (Pd и LiF) могут быть использованы в качестве покрытий при создании твердотельных детекторов поляризации [3] и источников поляризованных частиц [4]. 3. Новый многоканальный детектор Мотта, благодаря своей эффективности, может быть использован в новых экспериментах по детектированию магнитных эффектов в двумерных системах и на интерфейсах спинтронных систем [5, 6]. Апробация результатов работы. Основные результаты данной работы представлены на конференции с международным участием "Неделя науки СПбПУ"(Санкт-Петербург, 2016, 2017, 2019), международной конференции "Emerging Trends in Applied and Computational Physics (ETACP) 2019"(Санкт-Петербург, 2019), международной конференции ECOSS-33 (Сегед, Венгрия, 2017), международной конференции ECOSS-34 (Орхус, Дания, 2018), международный симпозиум "НАНОФИЗИКА И НАНОЭЛЕКТРОНИКА"(Нижний Новгород, 2020), на семинарах кафедры "Экспериментальная физика"СПбПУ. Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ, 6 из них в журналах, индексируемых в SCOPUS и/или входящих в список ВАК. Список приведён в конце работы. Основные положения, выносимые на защиту: 1. Эффект антипараллельного магнитного упорядочения поверхностного слоя кристалла относительно его объёма зарегистрирован методом спин-поляризованной электронной спектроскопии. Поляризация вторичных электронов кристалла FeNi3(110) с энергией 35 и 50 эВ меняет знак вблизи температуры Кюри, тогда как для энергий 100 и 250 эВ перемены знака не происходит. 2. Возможность антипараллельного магнитного упорядочения поверхностного слоя FeNi3(110) в условиях наличия поверхностной сегрегации подтверждена модельным расчётом с использованием теории функционала плотности. 3. Величины длин спиновой релаксации электронов средних энергий в тонких плёнках LiF в 8-10 раз превышают длины свободного пробега относительно неупругих соударений, а для Pd в 2.5–3 раза. 4. Методика проведения эксперимента по вторично-электронной спектроскопии с использованием многоканального классического детектора Мотта. Использование данного прибора позволило увеличить эффективность проведения эксперимента за счёт измерения спиновой поляризации потока электронов с сохранением информации о пространственной структуре его сечения. Структура и объём диссертации Полный объём диссертации составляет 118 страниц, включая 39 рисунков, 2 таблицы и список цитируемой литературы из 95 наименований. Работа выполнена в лаборатории поверхностного и двумерного магнетизма кафедры физики физико-механического института, ФГАОУ ВО "СПбПУ".