Диссертация (Синтез и особенности электронной и спиновой структуры графен-содержащих систем)

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТНа правах рукописиЖИЖИН Евгений ВладимировичСинтез и особенности электронной и спиновойструктуры графен-содержащих систем01.04.07 – Физика конденсированного состоянияДИССЕРТАЦИЯна соискание ученой степеникандидата физико-математических наукНаучный руководительд. ф.-м. н., проф.Шикин Александр МихайловичСанкт-Петербург – 2015СодержаниеВведениеГлава 1.. .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5Обзор литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .151.1. Графен. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .151.1.1.Кристаллическая структура. . . .

. . . . . . . . . . . 161.1.2.Электронная структура . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161.2. Методы синтеза . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191.2.1.Термическое испарение поверхности карбида кремния(SiC). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191.2.2. Механическое отслаивание. . . . . . . . .

. . . . . . 201.2.3. Сегрегация углерода на поверхность из объёма . . . .1.2.4. Крекинг углеродсодержащих газов21. . . . . . . . . . . 221.3. Интеркаляция атомов металлов . . . . . . . . . . . . . . . . . 231.4. Спиновая структура графена . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . 25Глава 2.Экспериментальные методы и оборудование2.1. Экспериментальные методы2.1.1.. . . . . . 28. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28Фотоэлектронная спектроскопия. . . . . . . . . . . . 282.1.2. Фотоэлектронная спектроскопия с угловым разреше­нием. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332.1.3. Фотоэлектронная спектроскопия с угловым и спино­вым разрешением . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . 352.1.4. Дифракция медленных электронов . . . . . . . . . . . 382.1.5. Сканирующая туннельная микроскопия. . . . . . . . 402.2. Экспериментальные станции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4232.2.1. Комплексный фотоэлектронный и растровый оже-элек­тронный спектрометр Thermo Fisher Scientific Escalab250Xi .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422.2.2. Научно-исследовательская платформа Нанолаб . . . . 452.2.3. Станция фотоэлектронной спектроскопии с угловыми спиновым разрешением PHOENEXS . . . . . . . . . 48Глава 3.Определение ключевого условия для формирования ги­гантского индуцированного спин-орбитального расщепления вграфене. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . 503.1. Подготовка поверхности монокристалла W(110) и формиро­вание графена . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503.2. Влияние интеркаляции атомов Bi на электронную и спино­вую структуру графена . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . .513.2.1. Электронная структура системы MG/Bi/Ni(111)513.2.2. Спиновая структура системы MG/Bi/Ni(111). . .. . . . . 653.3. Влияние интеркаляции совместного слоя атомов Au и Bi наэлектронную и спиновую структуру графена. . . . . .

. . . 663.3.1. Электронная структура системы MG/Bi+Au/Ni(111). 673.3.2. Спиновая структура системы MG/Bi+Au/Ni(111) . . . 723.4. Выводы к главеГлава 4.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74Синтез и электронная структура графена на тонких плен­ках металлов на поверхности HOPG . .

. . . . . . . . . . . . . . 764.1. Подготовка поверхности HOPG и формирование графена наоснове процесса сегрегации. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 764.2. Электронная структура графена на пленке никеля толщиной80 Å. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7744.3. Электронная структура графена на пленке никеля толщиной160 Å . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 864.3.1. РФЭС и УФЭС анализ . . . . . . . . . . . . . . . . . . 864.3.2. Интеркаляция атомов золота. . . . . . . . . . . . . . 944.3.3. СТМ анализ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 974.4. Электронная структура графена на пленке гадолиния4.5.

Выводы к главеЗаключение. . . . 99. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109Список сокращений и обозначений. . . . . . . . . . . . . . . . . . 112Литература . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1145ВведениеАктуальность работыГрафен представляет собой слой атомов углерода, соединенных посред­ством 2 связей в гексагональную двумерную кристаллическую решетку.Исследованию электронной структуры графена, графен-содержащих системи разработке методов синтеза посвящено множество работ вследствие еговыдающихся физико-химических свойств [1–5].Уникальная электронная структура графена обусловлена особенностямиэлектронных состояний на уровне Ферми в области точки K̄ зоны Бриллю­эна (ЗБ) [1–5]. Точки K̄ и K̄′ - это особые точки в ЗБ графена, в которойэлектронные состояния пересекают уровень Ферми ( ), а в ее окрест­ности дисперсионная зависимость состояния графена имеет линейныйхарактер.

Эта особенность электронной структуры определяет уникальныесвойства графена, такие как: эффективная нулевая масса Дираковских фер­мионов, ультравысокая проводимость и многие другие [1–5]. К другим немало важным достоинствам графена можно отнести механическую проч­ность, гибкость, устойчивость к окислению и к другим агрессивным сре­дам. К наиболее перспективным направлениям применения графена в на­стоящее время относят: сверхбыстрые электронные схемы [2], фотодетек­торы [6], считывание последовательности одной молекулы ДНК [7], литий­воздушные батареи [8], спиновый фильтр [9] и многие другие приложения.Все выше перечисленные особенности делают графен перспективным ма­териалом для применения в самых различных приложениях, в частности,как будущую основу наноэлектроники, спинтроники и возможную заме­ну кремния в интегральных микросхемах [1, 2, 10], тем самым определяяактуальность выбора объекта диссертационной работы.Электронная структура графена может существенно искажаться по срав­6нению с квазисвободным графеном при взаимодействии с различными под­ложками.

Например, наличие проводимости в графене различных типов(- и - тип), формирование запрещенной зоны между верхним и ниж­ним конусами Дирака вследствие эффекта ”непересечения” электронныхсостояний [11–16]. В работе [11] была показана возможность модификацииспиновой структуры графена через его взаимодействие с металлом с вы­соким спин-орбитальным взаимодействием (Au, Ir, Pt), а также наличиеспин-зависимого эффекта ”непересечения”.

Для изолированного графенавеличина спин-орбитального расщепления электронных состояний менее1 мэВ [17]. Однако в работах [14, 15] было показано, что интеркаляция1 монослоя (ML) атомов Au под графен приводит к существенному из­менению электронной и спиновой структуры графена и сопровождаетсяаномально высоким индуцированным спин-орбитальным расщеплением состояния графена 100 мэВ. Было сделано заключение, что определяющуюроль в эффекте индуцированного спин-орбитального расщепления состо­яния графена играет с одной стороны высокий внутриатомный градиентпотенциала, свойственный для атомов с высоким атомным номером, с ко­торым контактирует графен, а с другой стороны гибридизация состоянияграфена с состояниями металла [15].Данная диссертационная работа направлена на изучение роли влиянияусловий приводящих к гигантскому индуцированному спин-орбитальномурасщеплению в графене за счет внедрения - и - металлов с высокиматомным номером в интерфейс графен/Ni(111).

В работе показано что, засчет варьирования пропорции атомов - и - металлов на межфазной гра­нице графен-подложка величина индуцированного спин-орбитального рас­щепления может меняться в диапазоне от 5 до 100 мэВ. Этот механизм поз­волит расширить функциональную область применения графена в спинтро­нике по целенаправленному созданию устройств с необходимой величиной7спин-орбитального расщепления, что делает результаты диссертационнойработы, безусловно, актуальными.К одной из актуальных проблем современной наноэлектроники и спин­троники относится коммерческое использование графена.

Данное направ­ление предполагает поиск, разработку и реализацию высокоэффективныхи экономически выгодных методов синтеза графена при низких темпера­турах. В настоящее время к наиболее распространённым методам синте­за графена относят: механическое отщепление от монокристалла графита[1–3], метод каталитической реакции крекинга углеродосодержащих газовна поверхности монокристаллических пленок и монокристаллов переход­ных металлов [15, 16, 18–22], а также метод термической графитизацииповерхности монокристалла карбида кремния [23, 24]. Среди них широкоеприменение на практике получил метод каталитической реакции крекин­га углеродосодержащих газов. В частности, крекинг пропилена (C3 H6 ), наповерхности монокристаллической пленки Ni(111) за счёт хорошей согла­сованности параметров кристаллической решетки графена и Ni(111) приво­дит к формированию эпитаксиального, хорошо упорядоченного графена повсей поверхности пленки [15, 16, 18–22, 25, 26].

При этом хорошо извест­но [16, 18–20], что реакция синтеза является самоограничивающейся и наповерхности образуется однослойный графен. Это обстоятельство выгодноотличает данный метод от других, где высока вероятность формированиямногослойного графена.В настоящее время в литературе развернута широкая дискуссия о де­талях механизма синтеза графенового монослоя посредством крекинга уг­леродосодержащих газов, особенно на поверхности Ni(111) [27–30].Предполагается, что формирование графенового монослоя идет черезкаталитическое разложение молекул углеводородов на поверхности Ni(111)при температурах подложки 500-600∘ C с одновременным растворением8атомов углерода в объеме никелевой пленки. Последующее понижение тем­пературы подложки до комнатной приводит к сегрегации и накоплению ато­мов углерода на поверхности пленки Ni(111) [28–30].

Выделение монослой­ного углеродного покрытия при понижении температуры обусловлено огра­ниченной растворимостью атомов углерода в объеме никеля. Другим меха­низмом формирования графенового монослоя на поверхности Ni(111) пред­полагается формирование карбида никеля Ni2 C в приповерхностном слое споследующей трансформацией при определенных температурах [27, 28].Диссертационная работа посвящена детальному исследованию процессасинтеза графена на тонких слоях металлов (Gd, Ni) на подложке высоко­ориентированного пиролитического графита (HOPG) только за счет сегре­гации атомов углерода. Показано, что на пленке никеля рост графеновогомонослоя проходит при низких температурах отжига подложки (280∘ C),в отличие от крекинга углеродосодержащих газов (500–600∘ C), тем са­мым увеличивая эффективность данного метода по сравнению с другими.Актуальность разработки данного метода синтеза также, обусловлена воз­можностью реализации этой технологии роста графена на не проводящихподложках (например, SiO2 ), с предварительно осажденным слоем атомовуглерода на поверхности.Цель диссертационной работыЦелью диссертационной работы являлось с одной стороны определе­ние ключевого условия для формирования гигантского индуцированногоспин-орбитального расщепления в графене, а с другой стороны исследова­ние деталей синтеза графен-содержащих систем на тонких слоях металлов,основанного только на процессе сегрегации атомов углерода.Для достижения поставленных целей были решены следующие задачи:1.