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

Это указывает на возможность эффективного применения графена в новомнаправлении микроэлектроники – спинтронике, где происходит управление не зарядами, аспинами электронов [7]. Все эти свойства позволяют применять графен в очень широкомспектре устройств и изобретений, например, для считывания последовательности нуклеотидовв молекуле ДНК [8], в фотодетекторах [9], литий-воздушных батареях [10], термоакустическихдинамиках [11], спиновом транзисторе [12], спиновом фильтре [13] и многих других. Всевышеперечисленные свойства позволяют рассматривать графен в качестве перспективного5материала для применения в различных областях, в частности, как возможную замену кремнияв интегральных микросхемах [2,3,14] и основу наноэлектроники и спинтроники, чтоподтверждает актуальность выбора объекта диссертационной работы.Следует отметить, что свойства графена, как механические, так и электронные, сильнозависят от того, каким именно способом был получен тот или иной образец.

В настоящее времянаиболее распространенными методами синтеза графена являются механическое отщепление отмонокристалла графита [1–3], метод термической графитизации поверхности монокристаллакарбида кремния [15,16] и метод каталитической реакции крекинга углеродосодержащих газов(CVD) [17–22]. Последний получил наиболее широкое распространение на практике, посколькупозволяет получать хорошо упорядоченные образцы графена большой площади монослойнойтолщины.

Одним из преимуществ данного метода является то, что реакция синтеза являетсясамоограничивающейся [18–20], т.е. прекращается при образовании однослойного графена.Приэтомбольшоевлияниенакачествополучаемогографенаоказываеториентирующая подложка, на которой происходит синтез. Практически всегда используютсяграни (0001) кристаллов с гексагональной кристаллической решеткой, (111) кристаллов с ГЦКструктурой или (110) ОЦК-кристаллов, поскольку на этих гранях атомы подложкирасположены в виде гексагональных ячеек. В частности, на поверхности монокристалла Ni(111)крекингом пропилена (С3Н6) можно синтезировать эпитаксиальный хорошо упорядоченныйграфен большой площади [17–22], так как параметры кристаллической решетки графена иNi(111) различаются всего лишь на 1.1% [23]. В то же время, синтез графена на несоразмерныхподложках слабо изучен, поскольку из-за несоразмерности структур может возникатькорругация графена и формироваться структура муара, что, как предполагается, сильно влияетна его электронные свойства.

В связи с этим, исследование деталей синтеза и электроннойструктуры графена, выращенного на гранях металлов с несоразмерной структурой, являетсяважной и актуальной научно-исследовательской задачей.Актуальной проблемой современной наноэлеткроники является не только исследованиесвойств графена для производства устройств на его основе, но и разработка новыхвысокоэффективных и экономически выгодных способов синтеза графена.

Одним из нихявляется метод, основанный на сегрегации углерода сквозь тонкий слой металла. Прииспользованиивкачествеподложкимонокристаллическогографитаиливысокоориентированного пиролитического графита (ВОПГ) с нанесенным тонким (порядка16 нм) слоем переходного металла (Ni или Co), данный метод позволяет в полтора-два разаснизить температуру, при которой происходит синтез графена, по сравнению с методомкрекинга (с 500 – 600 °С до 300 – 350 °С). Актуальность разработки данного метода полученияграфена дополнительно обуславливается возможностью реализации этой технологии синтеза на6непроводящих подложках (таких как SiC, SiO2) с предварительно нанесенным слоем атомовуглерода на поверхности.Для применения графена в другой развивающейся области – спинтронике – требуетсяполучить расщепление по спину его электронных состояний.

Известно, что индуцированноеспин-орбитальное расщепление π состояния возникает при контакте графена с подложкойметалла, имеющего высокий атомный номер (например, золота [17,24]), под влияниембольшого градиента внутриатомного потенциала. С другой стороны, контакт графена смагнитными металлами (например, 3d-металлы Co и Ni или f-металлы Gd, Ho, Eu и др.) [25–28]может приводить к индуцированному обменному спиновому расщеплению π состоянийграфена.

Поэтому исследование деталей синтеза и особенностей графена, в частности егоспиновой структуры, на редкоземельных металлах (были взяты Gd и Dy) также являетсяактуальной и перспективной научно-исследовательской задачей.Цель диссертационной работыЦелью диссертационной работы являлось изучение механизмов синтеза графенаметодом CVD на несоразмерной грани никеля (100), методом сегрегации углерода сквозьтонкие слои переходных (Ni, Co) и через карбидизацию редкоземельных (Gd, Dy) металлов, атакже изучение электронной структуры графена на всех стадиях роста.Для достижения цели требовалось решить следующие задачи:1. Изучить влияние несоразмерной подложки Ni(100) на процесс крекинга пропилена(CVD) и на электронную структуру получаемого графена, в том числе при интеркаляцииатомов золота.2.

Исследовать процесс формирования графена методом сегрегациии атомов углеродачерез тонкие слои переходных металлов (Ni, Co), нанесенные на подложкумонокристаллического графита и высокоориентированного пиролитического графита(ВОПГ).3. Получить информацию об электронной и кристаллической структуре графена,сформированного методом сегрегации на тонких слоях переходных металлов,нанесенных на подложку монокристаллического графита, в том числе послеинтеркаляции атомов золота.4. Детально изучить механизм роста графена через фазу карбидизации редкоземельныхметаллов (Gd, Dy), напыленных на подложку монокристаллического и пиролитическогографита.5.

Проанализировать электронную и спиновую структуру графена, выращенного через фазукарбидизации редкоземельных металлов.7Научная новизнаРабота содержит большое количество новых экспериментальных и методическихрезультатов. Ниже перечислены наиболее важные из них.1. Показано, что графен, сформированный методом крекинга пропилена на подложкеNi(100) с кристаллической структурой, несоразмерной гексагональной структуреграфена, характеризуется сильной связью с подложкой и имеет электронную структурувалентных состояний, схожую со структурой графена на соразмерной поверхностиNi(111).

Отработан режим и детали синтеза графена на поверхности Ni(100).2. Установлено, что интеркаляция монослоя атомов золота под графен, сформированный намонокристалле Ni(100), ведет к формированию электронной структуры, характерной дляквазисвободного графена с линейной дисперсией π состояний графена в области точкизоны Бриллюэна и точкой Дирака на уровне Ферми.

Отработаны детали эффективнойинтеркаляции монослоя золота под графен, синтезированный на подложке снесоразмерной графену кристаллической структурой.3. Проведено систематическое исследование различных стадий процесса синтеза графенаметодом сегрегации атомов углерода через пленку переходного металла, нанесенную награфитовую подложку. Отработаны детали и оптимизированы режимы синтеза графена.Продемонстрировано,чтосинтезграфенапроходитодинаковымобразомвнезависимости от типа графитовой подложки (монокристаллический или пиролитическийграфит), и d-металла (Ni или Co).

Различие состоит в температурном режиме синтеза.4. Показано, что для пленок переходных металлов (Ni, Co) формирование графена методомсегрегации атомов углерода с графитовой подложки происходит при температурах 300 –400 °С через фазу поверхностного карбида (200 – 250 °С) с последующейтрансформацией в графеновый слой на поверхности системы.5. Установлено, что при использовании редкоземельных металлов (Gd, Dy), нанесенных награфитовую подложку, процесс синтеза графена на поверхности системы происходитпри температурах 950 – 1100 °С и начинается после образования фазы объемногокарбида (500 – 900 °С), на поверхности которого формируется графен.6. Обнаружено, что графен, сформированный через фазу карбидизации пленки f-металла(Dy) на монокристалле графита, в точкезоны Бриллюэна имеет π состояния,характеризующиеся линейной дисперсией и поляризованные по спину.

Точка Диракасдвинута на 1,8 эВ ниже уровня Ферми.8Научная и практическая значимостьЗнание особенностей электронной структуры графена, синтезированного на различныхподложках, в том числе и имеющих несоразмерную решетку, а также деталей роста необходимодля углубления и систематизации научных знаний в области физики низкоразмерных систем.Полученныерезультатыдемонстрируютпрактическиполнуюидентичностьграфена,выращенного на несоразмерной (100) и соразмерной (111) гранях никеля, как до, так и послеинтеркаляции монослоя золота, что показывает допустимость использования различныхподложек для создания устройств наноэлектроники на основе графена, практически без потериуникальных электронных свойств этого материала.К другому немаловажному практическому результату работы относится исследованиепроцесса синтеза графена на тонких слоях переходных и редкоземельных металлов награфитовых подложках.

Так, было показано, что графен, сформированный на слоередкоземельного металла диспрозия на монокристалле графита через фазу карбидизации, имеетπ состояния, характеризующиеся линейной дисперсией и значительной спиновой поляризациейв точке К зоны Бриллюэна, что позволит использовать его в качестве основного элемента вустройствах спинтроники.Наибольшей практической значимостью обладает результат исследования роста графенана слое переходных металлов (Ni, Co) на графитовой подложке. Метод синтеза, основанный напроцессе сегрегации атомов углерода, позволил снизить температуру формирования графена до300 – 400 °С, а использование кобальта позволило улучшить кристаллическую структурусформированного графена по сравнению с пленкой никеля.

Полученный результат позволяетзначительно уменьшить стоимость производства графен-содержащих логических элементов инаноэлектронных устройств.Методология и методы исследованияВ качестве основных методов исследования были выбраны методы рентгеновскойфотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) и фотоэлектронной спектроскопии с угловымразрешением(ФЭСУР).Дополнительнодляизученияповерхностиобразцовбылииспользованы методы дифракции медленных электронов (ДМЭ). Такие методы какфотоэлектронная спектроскопия с угловым и спиновым разрешением, сканирующая туннельнаямикроскопия (СТМ), комбинационное рассеяние света (или Рамановская спектроскопия)применялись для получения дополнительных сведений об изучаемых системах.Сиспользованиемкомплексавышеперечисленныхметодовбылпроведенсравнительный анализ особенностей различных методов синтеза графена на различныхподложках и различных стадиях синтеза и основных факторов, определяющих эффективность9данных методов синтеза, определены физические процессы, управляющие синтезом графена, иустановлены основные особенности и различия формируемых исследуемых систем.На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:1.