Автореферат (Особенности синтеза и электронной структуры графена на подложках на основе d- и f- металлов)

Санкт-Петербургский государственный университетНа правах рукописиПудиков Дмитрий АлександровичОсобенности синтеза и электронной структуры графена наподложках на основе d- и f- металлов01.04.07 – физка конденсированного состоянияАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукСанкт-Петербург – 20182Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университетеНаучныйруководитель:Шикин Александр Михайлович,доктор физико-математических наук, профессор кафедрыэлектроники твёрдого тела ФГБОУ ВО «СанктПетербургский государственный университет».Официальныеоппоненты:Галль Николай Ростиславович,доктор физико-математических наук, профессор,заведующий лабораторией физики адсорбционнодесорбционных процессов, ФГБУН Физико-техническийинститут им.

А.Ф. Иоффе РАН, г. Санкт-Петербург.Петров Владимир Никифорович,докторфизико-математическихнаук,профессор,профессоркафедрыэкспериментальнойфизикиИнститута физики, нанотехнологий и телекоммуникаций,ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский политехническийуниверситет Петра Великого», г. Санкт-Петербург.Ведущаяорганизация:ФГБУНИнститутфизикиим. А.В. РжановаСибирскогог. Новосибирск.полупроводниковотделенияРАН,Защита состоится «___» ______ 2018 г.

в ____ часов на заседаниидиссертационного совета Д 212.232.33 по защите диссертаций на соисканиеученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наукпри Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: 198504,Санкт-Петербург, Петродворец, ул. Ульяновская д. 5, ауд. 209.С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотекеим. М. Горького Санкт-Петербургского государственного университета поадресу: 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., д. 7/9. Диссертация иавтореферат диссертации размещены на сайте disser.spbu.ru.Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах просим направлять по адресу:198504, Санкт-Петербург, Петродворец, ул.

Ульяновская, д. 1, на имя ученогосекретаря диссертационного совета Д 212.232.33 Поляничко А.М.Автореферат разослан «___»_________2018 г.Ученый секретарь диссертационного советак.ф.-м.н., доцентА.М. Поляничко3Общая характеристика работыАктуальность работыОдной из задач, определяющих развитие как экспериментальной науки вцелом, так и физики конденсированного состояния в частности, является поискматериалов, которые обладают новыми, не имеющими аналогов, свойствами.Одним из последних примеров таких материалов стал графен – двумерныйкристалл атомов углерода.

Чуть более десяти лет назад, А. Гейм и К. Новоселовсмогли экспериментально показать уникальные свойства графена: аномальновысокую подвижность носителей заряда и полуцелый (аномальный) квантовыйэффект Холла. Кроме выдающихся электронных свойств, графен также имеетбольшую механическую жесткость (~ 1 ТПа) и высокую теплопроводность(~ 5·103 Вт м-1 К-1). Его толщина составляет всего один атом, но при этом графенсохраняет свою структуру как на различных подложках, так и просто будучиподвешенным за края в вакууме. Он не подвержен окислению при нормальныхусловиях, и это дает возможность для его эксплуатации как на воздухе, так и вболее агрессивных средах.

Проводимость графена достигает выдающихсявеличин (15·103 см2В-1с-1), что обусловлено уникальностью его электроннойэнергетической структуры вблизи уровня Ферми. Дисперсия валентныхэлектронных состояний здесь имеет линейный характер, вследствие чегоносители заряда обладают практически нулевой эффективной массой ианомально высокой подвижностью. Недавние исследования показали, чтографен обладает также рядом необычных спиновых характеристик (аномальнобольшая длина спиновой релаксации, значительное спин-орбитальноерасщепление валентных электронных состояний графена, возникающее приконтакте с элементом с большим атомным номером и т.п.). Это указывает навозможность эффективного применения графена в новом направлениимикроэлектроники – спинтронике, где происходит управление не зарядами, аспинами электронов.

Все эти свойства позволяют применять графен в оченьшироком спектре устройств и изобретений, например, для считыванияпоследовательности нуклеотидов в молекуле ДНК, в фотодетекторах, литийвоздушных батареях, термоакустических динамиках, спиновом транзисторе,спиновом фильтре и многих других. Все вышеперечисленные свойствапозволяют рассматривать графен в качестве перспективного материала дляприменения в различных областях, в частности, как возможную замену кремнияв интегральных микросхемах и основу для устройств наноэлектроники испинтроники, тем самым делая выбор объекта диссертационной работыактуальным.Следует отметить, что свойства графена, как механические, так иэлектронные, сильно зависят от того, каким именно способом был получен тотили иной образец.

В настоящее время наиболее распространенными методамисинтеза графена являются механическое отщепление от монокристалла графита,метод термической графитизации поверхности монокристалла карбида кремнияи метод каталитической реакции крекинга углеродосодержащих газов (CVD).4Последний получил наиболее широкое распространение на практике, посколькупозволяет получать хорошо упорядоченные образцы графена большой площадимонослойной толщины.

Одним из преимуществ данного метода является и то,что реакция синтеза является самоограничивающейся, т.е. прекращается приобразовании однослойного графена.При этом большое влияние на качество получаемого графена оказываеториентирующая подложка, на которой происходит синтез. Практически всегдаиспользуются грани (0001) кристаллов с гексагональной кристаллическойрешеткой, (111) кристаллов с ГЦК-структурой или (110) ОЦК-кристаллов,поскольку на этих гранях атомы подложки расположены в виде гексагональныхячеек. В частности, на поверхности монокристалла Ni(111) крекингом пропилена(С3Н6) можно синтезировать эпитаксиальный хорошо упорядоченный графенбольшой площади, поскольку параметры кристаллической решетки графена иNi(111) различаются всего лишь на 1.1%.

В то же время, синтез графена нанесоразмерных подложках слабо изучен, поскольку из-за несоразмерностиструктур может возникать корругация графена и формироваться структурамуара, что, как предполагается, сильно влияет на его электронные свойства. Всвязи с этим, исследование деталей синтеза и электронной структуры графена,выращенного на гранях металлов с несоразмерной структурой является важнойи актуальной научно-исследовательской задачей.Другой проблемой современной наноэлектроники является не толькоисследование свойств графена для производства устройств на его основе, но иразработка новых высокоэффективных и экономически выгодных способовсинтеза графена.

Одним из них является метод, основанный на сегрегацииуглерода сквозь тонкий слой металла. При использовании в качестве подложкимонокристаллического графита или высокоориентированного пиролитическогографита (ВОПГ) с нанесенным тонким (порядка 16 нм) слоем переходногометалла (Ni или Co), данный метод позволяет в полтора-два раза снизитьтемпературу, при которой происходит синтез графена, по сравнению с методомкрекинга (с 500 – 600 °С до 300 – 350 °С). Актуальность разработки данногометода получения графена дополнительно обуславливается возможностьюреализации этой технологии синтеза на непроводящих подложках (таких какSiC, SiO2) с предварительно нанесенным слоем атомов углерода на поверхности.Для применения графена в другой развивающейся области – спинтронике –требуется получить расщепление по спину его электронных состояний.Известно, что индуцированное спин-орбитальное расщепление π состояниявозникает при контакте графена с подложкой металла с высоким атомнымномером (например, золотом) под влиянием большого градиентавнутриатомного потенциала.

С другой стороны, контакт графена с магнитнымиметаллами (например, 3d-металлы Co и Ni или f-металлы Gd, Ho, Eu и др.)может приводить к индуцированному обменному спиновому расщеплению πсостояний графена. Поэтому исследование деталей синтеза и особенностей5графена, в частности его спиновой структуры, на редкоземельных металлах(были взяты Gd и Dy) также является актуальной и перспективной научноисследовательской задачей.Цель работыЦелью диссертационной работы являлось изучение механизмов синтезаграфена методом CVD на несоразмерной грани никеля (100), методомсегрегации углерода сквозь тонкие слои переходных (Ni, Co) и черезкарбидизацию редкоземельных (Gd, Dy) металлов, а также изучениеэлектронной структуры графена на всех стадиях роста.Для достижения цели требовалось решить следующие задачи:1.

Изучить влияние несоразмерной подложки Ni(100) на процесс крекингапропилена (CVD) и на электронную структуру получаемого графена, в томчисле при интеркаляции атомов золота.2. Исследовать процесс формирования графена методом сегрегациии атомовуглерода через тонкие слои переходных металлов (Ni, Co), нанесенные наподложку монокристаллического графита и высокоориентированногопиролитического графита (ВОПГ).3. Получить информацию об электронной и кристаллической структуреграфена, сформированного методом сегрегации на тонких слояхпереходных металлов, нанесенных на подложку монокристаллическогографита, в том числе после интеркаляции атомов золота.4. Детально изучить механизм роста графена через фазу карбидизацииредкоземельных металлов (Gd, Dy), напыленных на подложкумонокристаллического и пиролитического графита.5.

Проанализировать электронную и спиновую структуру графена,выращенного через фазу карбидизации редкоземельных металлов.Научная новизнаРабота содержит большое количество новых экспериментальных иметодических результатов. Ниже перечислены наиболее важные из них.1. Показано, что графен, сформированный методом крекинга пропилена наподложке Ni(100) с кристаллической структурой, несоразмернойгексагональной структуре графена, характеризуется сильной связью сподложкой и имеет электронную структуру валентных состояний, схожуюсо структурой графена на соразмерной поверхности Ni(111).

Отработанрежим и детали синтеза графена на поверхности Ni(100).2. Установлено, что интеркаляция монослоя атомов золота под графен,сформированный на монокристалле Ni(100), ведет к формированиюэлектронной структуры, характерной для квазисвободного графена слинейной дисперсией π состояний графена в области точки K зоныБриллюэна и точкой Дирака на уровне Ферми. Отработаны деталиэффективной интеркаляции монослоя золота под графен, синтезированныйна подложке с несоразмерной графену кристаллической структурой.63.4.5.6.Проведено систематическое исследование различных стадий процессасинтеза графена методом сегрегации атомов углерода через пленкупереходного металла, нанесенную на графитовую подложку. Отработаныдетали и оптимизированы режимы синтеза графена. Продемонстрировано,что синтез графена проходит одинаковым образом вне зависимости от типаграфитовой подложки (монокристаллический или пиролитический графит),и d-металла (Ni или Co).