Автореферат (Особенности синтеза и электронной структуры графена на подложках на основе d- и f- металлов), страница 2

Различие состоит в температурном режимесинтеза.Показано, что для пленок переходных металлов (Ni, Co) формированиеграфена методом сегрегации атомов углерода с графитовой подложкипроисходит при температурах 300 – 400 °С через фазу поверхностногокарбида (200 – 250 °С) с последующей трансформацией в графеновый слойна поверхности системы.Установлено, что при использовании редкоземельных металлов (Gd, Dy),нанесенных на графитовую подложку, процесс синтеза графена наповерхности системы происходит при температурах 950 – 1100 °С иначинается после образования фазы объемного карбида (500 – 900 °С), наповерхности которого формируется графен.Обнаружено, что графен, сформированный через фазу карбидизациипленки f-металла (Dy) на монокристалле графита, в точке K зоныБриллюэна имеет π состояния, характеризующиеся линейной дисперсией иполяризованные по спину. Точка Дирака сдвинута на 1,8 эВ ниже уровняФерми.Положения, выносимые на защиту1.

Синтез графена методом крекинга пропилена на поверхности Ni(100) притемпературе 570 °С приводит к формированию гексагонального графена,сильно связанного с подложкой и несоразмерного структуре подложки,характеризующегося энергией связи π состояния в точке Г, равной 10 эВ.2. Интеркаляция монослоя атомов золота под графен, сформированный наповерхности Ni(100), при температуре 400 °С приводит к блокировке связис подложкой и формированию электронной структуры, характерной дляквазисвободного графена с линейной дисперсией π состояний около точкиДирака, находящейся на уровне Ферми.3.

Синтез графена методом сегрегации атомов углерода через пленку кобальтана подложке высокоориентированного пиролитического графита проходитчерез фазу формирования поверхностного карбида Co при температуре250 °С, который при последующем увеличении температуры отжига до300 °С трансформируется в слой графена на поверхности системы, сильносвязанный с подложкой.4. Интеркаляция монослоя золота под графен, синтезированный методомсегрегации атомов углерода, приводит к формированию квазисвободногографена с линейной дисперсией π состояния и точкой Дирака на уровнеФерми.75.6.Синтез графена на поверхности пленки редкоземельных металлов (Dy, Gd)происходит через фазу карбидизации слоев Dy, Gd при температурах 500 –900 °С с последующим формированием при температурах 1000 – 1100 °Сграфенового монослоя на поверхности карбида f-металла.Электронная структура графена, синтезированного через фазукарбидизации пленки Dy на графитовой подложке, характеризуетсялинейной дисперсией π состояний в области точки K зоны Бриллюэна сосдвигом точки Дирака до энергий связи 1,8 эВ.Достоверность полученных результатовДостоверность полученных результатов и выводов диссертацииопределяется корректностью постановки задач исследования, использованиемсовременной высококлассной экспериментальной техники, профессиональнымвладением методикой эксперимента, применением компьютерных средствобработки данных и комбинации методов рентгеновской фотоэлектроннойспектроскопии, фотоэлектронной спектроскопии с угловым и спиновымразрешениемидифракциимедленныхэлектронов.Полученныеэкспериментальные данные были стабильны и воспроизводимы на различныхэкспериментальных станциях.

Достоверность интерпретации полученныхрезультатов и предложенной модели определяется привлечением ранее хорошообоснованных теоретических положений.Научная и практическая значимостьЗнаниеособенностейэлектроннойструктурыграфена,синтезированного на различных подложках, в том числе и имеющихнесоразмерную решетку, а также деталей роста необходимо для углубления исистематизации научных знаний в области физики низкоразмерных систем.Полученные результаты демонстрируют практически полную идентичностьграфена, выращенного на несоразмерной (100) и соразмерной (111) граняхникеля, как до, так и после интеркаляции монослоя золота, что показываетдопустимость использования различных подложек для создания устройствнаноэлектроники на основе графена практически без потери уникальныхэлектронных свойств этого материала.К другому немаловажному практическому результату работы относитсяисследование процесса синтеза графена на тонких слоях переходных иредкоземельных металлов на графитовых подложках.

Так, было показано, чтографен, сформированный на слое редкоземельного металла диспрозия намонокристалле графита через фазу карбидизации, имеет π состояния,характеризующиеся линейной дисперсией и значительной спиновойполяризацией в точке К зоны Бриллюэна, что позволит использовать его вкачестве основного элемента в устройствах спинтроники.Наибольшей практической значимостью обладает результат исследованияроста графена на слое переходных металлов (Ni, Co) на графитовой подложке.Метод синтеза, основанный на процессе сегрегации атомов углерода, позволил8снизить температуру формирования графена до 300 – 400 °С, а использованиекобальта позволило улучшить кристаллическую структуру сформированногографена по сравнению с пленкой никеля. Полученный результат даетвозможность значительно уменьшить стоимость производства графенсодержащих логических элементов и наноэлектронных устройств.Апробация работыМатериалы диссертации были представлены и обсуждались на следующихвсероссийских и международных конференциях: International Student’sConference ”Science and Progress” (Санкт-Петербург, 2013, 2014, 2017), 1-ямеждисциплинарная конференция ”Современные решения для исследованияприродных, синтетических и биологических материалов” (Санкт-Петербург,2014), XIX международный симпозиум ”Нанофизика и Наноэлектроника”(Нижний Новгород, 2016), 3rd European Workshop on Graphene and 2D Materials(Бергиш Гладабах (Кёльн), 2016), 12th, 13th International Conference AdvancedCarbon NanoStructures (Санкт-Петербург, 2015, 2017), Вторая российскаяконференция «ГРАФЕН: МОЛЕКУЛА И 2D КРИСТАЛЛ» (Новосибирск, 2017),9th Joint User Meeting (Берлин, 2017).Основные работы, включённые в диссертациюПо теме диссертации опубликовано 6 статей в рецензируемых журналах[A1–A6] и 10 тезисов докладов.Личный вклад автораВсе результаты, представленные в работе, получены соискателем лично,либо в соавторстве при его непосредственном участии.Структура и объём диссертацииДиссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, спискасокращений и условных обозначений и списка литературы.

Объём работысоставляет 104 страницы, включая 1 таблицу и 60 рисунков. Список литературысодержит 104 наименования.Содержание работыВо введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированацель работы и поставленные задачи, аргументирована научная новизна ипоказана практическая значимость полученных в работе результатов,представлены выносимые на защиту научные положения.Первая глава посвящена описанию свойств графена как основного объектаисследования. В начале главы даны общие сведения о кристаллической иэлектронной структуре данного материала, показывается его основнаяотличительная черта – линейная дисперсия валентных электронных состоянийвблизи уровня Ферми. Далее приведен обзор основных методов синтеза,наиболее широко распространенных на настоящий момент. Описан метод9интеркаляции атомов благородных металлов, применяемый для полученияименно квазисвободного графена.

Большое внимание уделено методу крекингауглеродосодержащих газов (метод CVD) и методам, основанным на явлениисегрегации атомов углерода сквозь металлические подложки, обсуждаютсямеханизмы действия данных методов.Во второй главе изложены основные экспериментальные методы,использовавшиеся в работе, и приведено описание спектрометров, в которыхпроводилось исследование образцов.Для получения информации о структуре внутренних электронных уровнейисследуемых систем был использован метод РФЭС.

Дисперсии электронныхсостояний систем в валентной зоне были получены с помощью метода ФЭСУР, аинформация о спиновой структуре – методом ФЭСУР со спиновымразрешением. Для определения степени упорядоченности поверхности иисследования кристаллической структуры образца применялся метод ДМЭ.Сочетание упомянутых методов позволило сформировать целостноепредставление об исследуемых системах и протекающих в них физическихпроцессах. Весь цикл синтеза и исследования был проведен in situ вспектрометре в условиях сверхвысокого вакуума.В последнем разделе главы дано описание экспериментальных станций,использовавшихся в рамках данной работы.

Большая часть результатов былаполучена на оборудовании ресурсного центра «Физические методыисследования поверхности» Научного парка СПбГУ. Другая частьэкспериментов была проведена в центре вывода синхротронного излученияBESSY-II (г. Берлин) на установках Российско-германского канала и станцииPHOENEXS.В третьей главе приведены результаты исследования процесса синтеза исвойств графена на разных гранях 3d-металла никеля. Графен был синтезированметодом крекинга пропилена на двух подложках, одна из которых имеласоразмерную ему кристаллическую структуру (Ni(111)), а другая –несоразмерную (Ni(100)). Показано, что кристаллический графен (обладающийгексагональной решеткой) может быть синтезирован на грани Ni(100), имеющейквадратную кристаллическую решетку, о чем свидетельствует характерный виддисперсии электронных состояний графена в валентной зоне и четкая картинаДМЭ.Обнаружено, что полученные дисперсии электронных состояний ввалентной зоне систем MG/Ni(100) и MG/(111) оказываются практическиодинаковыми (Рис.

1). В частности, π состояние графена имеет энергию связиоколо 10 эВ в точке Г зоны Бриллюэна, а в области точки K имеет нелинейныйхарактер и расположено на 2 – 2,5 эВ ниже уровня Ферми. В районе уровняФерми π состояния графена гибридизуются с 3d состояниями никеля иобразуется широкая гибридизационная щель. Такой вид дисперсионныхзависимостей свидетельствует о сильной связи графена с подложкой никеля внезависимости от её кристаллической ориентации.10Рис. 1.

Дисперсии графена, синтезированного крекингом пропилена наразличных поверхностях Ni: слева – MG/Ni(111), справа – MG/Ni(100).Во второй части главы описаны результаты интеркаляции атомов золотапод сформированный на поверхности Ni(100) графен. Показано, что даннаяпроцедура приводит к ослаблению связи графена с подложкой, о чемсвидетельствует сдвиг графеновых состояний в сторону уровня Ферми. Так, вточке Г π состояние имеет энергию связи ~ 8,2 эВ. В окрестности точки Kдисперсия π состояния графена имеет линейный характер и доходит до уровняФерми, как и в случае с квазисвободным графеном (например, в системеMG/Au/Ni(111)). В конце главы приведено рассмотрение спиновой структурыграфена, синтезированного на Ni(100) [А1, А2].В четвертой главе изложено описание исследования процесса синтезаграфена за счет сегрегации атомов углерода сквозь тонкие пленки d-металлов,нанесенных на графитовую подложку.Рис. 2.

Схематическое изображение процесса получения графена методомсегрегации углерода через пленку 3d-металла (Ni, Co) на графитовой подложке:(а) графитовая подложка, (б) напыление пленки переходного металла,(в) сегрегация атомов углерода сквозь пленку d-металла к поверхности во времяпрогрева образца, (г) графен на поверхности образца после охлаждения.11Исследованы два типа подложек (монокристаллический и пиролитическийграфит) и два металла (Ni и Co).Схематически метод синтеза показан на Рис. 2.В начале главы приведены результаты исследования синтеза графена на пленкахникеля, нанесенных на ВОПГ.