Автореферат (Особенности синтеза и электронной структуры графена на подложках на основе d- и f- металлов), страница 3

Показано, что после напыления слоя металла наповерхность графита с последующим прогревом системы до температур порядка180 – 250 °С на поверхности образуется карбидная фаза (Ni2С и Ni3С). Приувеличении температуры прогрева весь поверхностный карбид переходит в фазус большим содержанием углерода (Ni2С), а при прогреве до температур порядка300 – 330 °С – в графен [A3-A5].Рис.

3. РФЭС спектры систем Ni/ВОПГ (сверху) и Co/ВОПГ (снизу) сразупосле напыления (слева) и после отжига при Т = 300 или 350 °С (справа).В следующих разделах описано исследование графена, сформированного напленке кобальта, нанесенной на ВОПГ и на монокристалл графита. Приведенсравнительный анализ графена, синтезированного на пленках Ni и Со наподложке ВОПГ. Показано, что синтез графена на пленке Со проходит такжечерез стадию поверхностного карбида, с повышением температуры отжигапревращающегося в графен (Рис. 3). При этом графен сильно связан снижележащим слоем метала, а также есть островки квазисвободного (илидвуслойного) графена.

Также показано, что площадь поверхности, занимаемаяупорядоченным однодоменным графеном больше, чем для пленки Ni [A5].В пятом разделе показано, что использование высокоупорядоченнойподложки графита вместо ВОПГ приводит к формированию графена, имеющегодомены большой площади (о чем свидетельствует четкая картина ДМЭ). Такжевыявлено, что графен, сформированный на поверхности системы Со/графитметодом сегрегации атомов углерода, обладает электронной структурой,аналогичной с системой MG/Со/W(110) и характерной для сильно связанного сподложкой графена: π состояние в точке Г имеет энергию 10 эВ, а в точке Kзоны Бриллюэна верхний край зоны π состояний сдвинут на 3 эВ от уровняФерми (Рис.

4.а). В конце главы демонстрируется, что интеркаляция атомовзолота под графен, выращенный методом сегрегации сквозь пленку Со,12нанесенную на графит, приводит к сдвигу его электронной структуры.Положение как внутреннего C1s уровня, так и валентного π состояния графена(Рис. 4.б) становится таким же, как и в случае квазисвободного графена (кпримеру, в системе MG/Au/Co/W(110) (Рис.

4.в)). Переход от сильно связанногос подложкой графена к квазисвободному в результате интекаляции атомовзолота свидетельствует о синтезе в основном именно монослойного графена.Рис. 4. Дисперсии (сверху) и спектры С1s внутреннего уровня (снизу)графена, выращенного на пленке Со, нанесенной на монокристалл графита, до(а) и после (б) интеркаляции атомов Au; (в) для сравнения – квазисвободныйграфен, сформированный методом крекинга пропилена на монокристаллическойпленке Со(0001) с интеркалированным слоем атомов Au. Дисперсиизаписывались при энергии излучения 40,8 эВ, спектры внутреннего уровня – при1486,6 эВ.В пятой главе рассмотрен синтез графена на пленках f-металлов,нанесенных на графитовую подложку.

Показано, что синтез графена на пленкеGd, нанесенной на ВОПГ, происходит в несколько этапов. При отжигеграфитовой подложки со слоем Gd до температур порядка 520 °С пленкаметалла превращается в объемный карбид (Рис. 5.а). При увеличениитемпературы отжига до 1000 °С происходит насыщение карбида углеродом (изGd2C3 он переходит в GdC2). Только при Т ~ 1100 °С на поверхностиформируется графен, обладающий линейной дисперсией π состояния в областиточки К и имеющий точку Дирака вблизи уровня Ферми (Рис. 6.а) [A6].В третьем разделе описан синтез графена через карбидизацию слоя другогоредкоземельного металла – Dy, нанесенного на монокристаллический графит.Показано, что синтез проходит через те же фазы, что и в предыдущем случае, нопри немного меньших температурах.

Так, при температуре отжига 450 °С пленка13Dy полностью карбидизируется (Dy2C3), а при повышении температуры до900 °С происходит постепенное преобразование карбида в более насыщеннуюуглеродом фазу (DyC2) (Рис. 5.б).Рис. 5. Тонкая структура C1s линии систем MG/Gd/ВОПГ (а) иMG/Dy/графит (б) на разных стадиях синтеза. Снизу – превращение пленкиGd(Dy) в карбид Gd2C3 (Dy2C3) после низкотемпературного отжига; в центре –образование насыщенного углеродом карбида GdС2 (DyС2) при отжиге приТ = 1000 (850) °С; сверху – формирование графена на поверхности образца послеотжига при Т = 1100 (1010) °С.Рис. 6.

(а) Дисперсия графена, выращенного на подложке Gd/ВОПГ. hv = 64 эВ.Для удобства представлена вторая производная по энергии. (б) Дисперсияграфена, выращенного на подложке Gd/графит. hv = 40,8 эВ.14Выявлено, что образование графена происходит при температурах~ 1030 °С, при этом он имеет упорядоченную структуру, согласно картинамДМЭ. При помощи исследований методом ФЭСУР (Рис. 6.а) показано, чтографен, сформированный на пленке диспрозия, имеет характерную дисперсию,линейную в области точки К зоны Бриллюэна, но сдвинутую от уровня Фермивследствие переноса заряда от подложки. Точка Дирака имеет энергию связи~ 1,8 эВ, виден частично заполненный конус π* состояний. В конце главыприведено описание спиновой структуры π и π* состояний графена в системеMG/Dy/графит.В заключении приводятся основные результаты работы: Обнаружено, что несоразмерность подложки влияет только на процесссинтеза и интеркаляции золота под сформированный графен и на егокристаллическую структуру (однодоменный на Ni(111) и многодоменныйна Ni(100)), а электронная структура графена на Ni(100) и Ni(111) как до,так и после интеркаляции золота схожа между собой. Показано, что процесс синтеза графена методом сегрегации атомовуглерода через пленки переходных металлов проходит одинаковым образомвне зависимости от конкретного металла (Ni или Co) или типа графитовойподложки (монокристаллический графит или ВОПГ).

При этом на первойстадии синтеза формируется поверхностный карбид. Показано, что графен, выращенный методом сегрегации атомов углеродасквозь пленку Со на подложке графита, сильно связан с нижележащимслоем кобальта. Влияние подложки проявляется как в сдвиге каквнутреннего C1s уровня графена, так и в изменении дисперсии егоэлектронных состояний в валентной зоне по сравнению с квазисвободнымграфеном. Также показано, что после интеркаляции атомов золота подграфен, сформированный на Со/графит, происходит сдвиг его электроннойструктуры. Положение внутреннего C1s уровня и валентного π состоянияграфена становится таким же, как и в случае квазисвободного графена. Установлено, что синтез графена на слоях f-металлов Gd и Dy, нанесенныхна графитовые подложки, происходит одинаковым образом. Вначале, приотжиге до температур порядка 500 °С, формируется объемный карбид РЗМ.Дальнейшее увеличение температуры отжига до ~ 900 °С приводит кнасыщению карбида углеродом.

После отжига при Т ~ 1000 – 1100 °Спроисходит накопление углерода на поверхности и образование графена. Обнаружено, что линейность конуса заполненных π состояний графена,полученного через фазу карбидизации слоя диспрозия, в области точки Kзоны Бриллюэна сохраняется, но точка Дирака располагается на энергиисвязи ~ 1,8 эВ. Также виден конус антисвязывающих π* состояний, чтосвидетельствует о переносе заряда с нижележащего слоя карбида диспрозияна графен.15Список публикаций по теме диссертации[A1] Pudikov, D.A. Electronic structure of graphene on Ni surfaces with differentorientation / D.A. Pudikov, E.V.

Zhizhin, A.G. Rybkin, A.A. Rybkina,Y.M. Zhukov, O.Y. Vilkov, A.M. Shikin // Mater. Chem. Phys. – 2016. – Т. 179.– С. 189–193.[A2] Пудиков, Д.А. Электронная структура графена на поверхностях Ni(111) иNi(100) / Д.А. Пудиков, Е.В. Жижин, А.Г. Рыбкин, А.А. Рыбкина,Ю.М. Жуков, О.Ю. Вилков, А.М. Шикин // Физика твердого тела. – 2016. –Т. 58. – № 12.

– С. 2459–2463.[A3] Жижин Е.В. Синтез и электронная структура графена на пленке никеля,адсорбированной на графите / Е.В. Жижин, Д.А. Пудиков, А.Г. Рыбкин,П.Г. Ульянов, А.М. Шикин // Физика твердого тела. – 2015. – Т. 57. – № 9. –С. 1839–1845.[A4] Zhizhin, E.V. Growth of graphene monolayer by “internal solid-state carbonsource”: Electronic structure, morphology and Au intercalation / E.V. Zhizhin,D.A. Pudikov, A.G.

Rybkin, A.E. Petukhov, Y.M. Zhukov, A.M. Shikin // Mater.Des. – 2016. – Т. 104. – С. 284–291.[A5] Pudikov, D.A. Graphene fabrication via carbon segregation through transitionmetal films / D.A. Pudikov, E.V. Zhizhin, A.G. Rybkin, A.M. Shikin // ThinSolid Films. – 2018. – Т. 648.[A6] Шевелев В.О.

Синтез графена через фазу карбидизации Gd напиролитическом графите / В.О. Шевелев, Е.В. Жижин, Д.А. Пудиков,И.И. Климовских, А.Г. Рыбкин, В.Ю. Ворошнин, А.Е. Петухов,Г.Г. Владимиров, А.М. Шикин // Физика твердого тела. – 2015. – Т. 57. –№ 11. – С. 2272–2277..