Автореферат (Синтез и управление электронной структурой систем на основе графена)

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТНа правах рукописиУсачёв Дмитрий ЮрьевичСинтез и управление электронной структуройсистем на основе графенаСпециальность 01.04.07 – физика конденсированного состоянияАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степенидоктора физико-математических наукСанкт-Петербург – 2015Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете.Научный консультант:Адамчук Вера Константиновна,доктор физико-математических наук, профессор.Официальные оппоненты:Вуль Александр Яковлевич,доктор физико-математических наук, профессор,Физико-технический институт им.

А.Ф. ИоффеРАН, заведующий лабораторией.Окотруб Александр Владимирович,доктор физико-математических наук, профессор,Институт неорганической химии им. А.В. Нико­лаева СО РАН, заведующий лабораторией.Петров Владимир Никифорович,доктор физико-математических наук, профессор,Санкт-Петербургский политехнический универ­ситет Петра Великого, профессор.Ведущая организация:Московский государственный университет имениМ.В. Ломоносова»2016 г. вна заседании советаЗащита состоится «Д 212.232.33 по защите докторских и кандидатских диссертаций при Санкт­Петербургском государственном университете по адресу: 198504, Санкт-Петер­бург, ул. Ульяновская, д. 1, физический факультет СПбГУ, малый конференц-зал.С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке им. М.

ГорькогоСПбГУ и на сайте Санкт-Петербургского государственного университета spbu.ru.Автореферат разослан «»2015 г.Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба вы­сылать по вышеуказанному адресу на имя учёного секретаря диссертационногосовета.Учёный секретарь диссертационного совета,кандидат физ.-мат.

наук, доцентПоляничко А.М.3Общая характеристика работыАктуальность работы. Нобелевская премия по физике в 2010 г.1 не оставиласомнений в том, что графен – кристалл углерода с двумерной гексагональной кри­сталлической решеткой – является одним из наиболее перспективных материаловдля разработки новых электронных устройств. Обнаружены широкие возможно­сти использования графена в элементах транзисторов, памяти, солнечных батарей,топливных ячеек, биосенсоров, катализаторов, аккумуляторов, гибких дисплеев,конденсаторов, спиновых фильтров и т.д., причем область возможных примененийпродолжает расширяться. Тем не менее, серийный выпуск графеновых устройствпока остается делом будущего.

Причина заключается в том, что на пути промыш­ленного производства таких устройств стоит фундаментальная проблема синтезасистем на основе графена с заданной структурой и физико-химическими свойства­ми, а также характеристиками, превосходящими современные аналоги. Ключевойособенностью этой проблемы является то, что благодаря двумерности кристалли­ческой структуры, свойства графена могут в значительной степени варьироватьсяпод влиянием контакта с различными веществами.

С другой стороны, присутствиепримесей и дефектов также оказывает существенное влияние на характеристикиматериала. Существующих знаний и способов синтеза пока недостаточно дляэффективного решения имеющихся технологических задач, поэтому исследова­ния графена продолжают вызывать невероятный интерес ученых и технологов.Дальнейший прогресс требует усовершенствования методов получения графена,управления его электронной структурой и систематического изучения его свойствв зависимости от материала подложки и технологии формирования графеновыхсистем.

Представленная диссертация посвящена разработке новых практическихподходов к решению этих проблем и, вместе с тем, направлена на пониманиефундаментальных механизмов, определяющих взаимосвязь между строением иэлектронной структурой систем на основе графена. Рекордное число научныхстатей, публикуемых ежегодно по результатам исследования графена, свидетель­ствует о неснижающемся интересе к этой области, что говорит об актуальностиданной научной проблемы.Многие свойства материалов в значительной мере связаны с их электроннойэнергетической структурой.

В случае графена, его уникальная электронная струк­тура с конической дисперсией электронных состояний вблизи уровня Ферми от­ветственна за непревзойденные транспортные свойства, среди которых рекордновысокая подвижность и большая длина спиновой релаксации носителей заряда.Эти и другие свойства лежат в основе предложений по использованию графе­на в качестве активного элемента в устройствах электроники и спинтроники,например, быстродействующего полевого транзистора и спинового фильтра. Нопрактическая реализация этих предложений всегда сталкивается с рядом проблем.Например, эффективное использование графена в качестве канала в классическомполевом транзисторе требует создания запрещенной зоны в электронной структу­1Присуждена А.

Гейму и К. Новосёлову за новаторские эксперименты в отношении двумерного материала графена4ре, тогда как чистый графен является бесщелевым полупроводником. Создание жеспинового фильтра сталкивается с проблемой инжекции спин-поляризованных то­ков из металла в графен вследствие низкой проводимости последнего. В целом, взависимости от конкретных приложений, для эффективного использования графе­на в электронных устройствах необходимо иметь возможности управлять шири­ной запрещенной зоны графена, задавать тип и изменять концентрацию носителейзаряда, стимулировать спиновое расщепление электронных состояний, управлятьплотностью состояний вблизи уровня Ферми, формировать высококачественныеконтакты графена с различными металлами, полупроводниками и диэлектриками,и многое другое.

Разработка новых подходов к формированию систем на основеграфена, мониторингу и целенаправленному изменению их электронной структу­ры, и является основной целью диссертационной работы.Цель диссертационной работы – разработка фундаментальных основ и прак­тических подходов для создания новых функциональных материалов и систем наоснове графена, определение взаимосвязи их электронной энергетической струк­туры с особенностями строения систем и взаимодействия углерода с другимикомпонентами. Основной задачей работы было формирование и изучение широ­кого ряда кристаллических тонкослойных систем, характеризуемых различнымвзаимодействием атомов решетки графена с подложкой, адсорбатом и внедрен­ными примесями.

Систематическое изучение влияния на электронную структуруграфена, оказываемого подложкой, а также такими процессами, как физическаяи химическая адсорбция, легирование, и интеркаляция веществ под слой гра­фена, позволило значительно расширить возможности управления электроннымисвойствами графена и углубить понимание механизмов формирования тонкихособенностей его электронной структуры в различных системах.Научная новизна. Используя широкий спектр поверхностно-чувствительныхметодов, в данной работе были выявлены закономерности связывающие строениеразличных систем на основе графена с их электронной структурой, разработаныметодики формирования новых систем и способы целенаправленной модифика­ции электронного спектра графена и его свойств.

Работа содержит новые экспе­риментальные и методические результаты, из которых отдельно следует отметитьнижеперечисленные.1. Впервые экспериментально определена электронная структура вблизи уров­ня Ферми и показана слабая связь графена с подложкой в тонкослойной системеметалл-диэлектрик-полупроводник, в которой графен был сформирован на по­верхности широкозонного диэлектрика – гексагонального нитрида бора.2. Разработан способ эффективного синтеза легированного азотом однослойно­го графена (N-графена) из молекул триазина на поверхности большой площади.Особенностью предложенного способа является возможность получения хорошоориентированного монослоя N-графена, что позволило впервые эксперименталь­но определить влияние азота на электронную структуру графена наиболее пря­мым методом фотоэлектронной спектроскопии.

Продемонстрировано, что внед­рение золота под слой N-графена позволяет значительно повысить эффективность5допирования путем изменения конфигурации химических связей азота в слое гра­фена при повышенной температуре, что является первым наблюдением подобнойхимической реакции в графеновом слое.3. Разработана методология формирования легированного бором графена (B-гра­фена) из молекул карборана, позволяющая внедрять в решетку до 19 ат.% бора.Показано, что при малых концентрациях примеси возможно предпочтительноезамещение бором атомов углерода в одной из двух подрешеток графена.4. Предложен механизм появления реплицированных ветвей электронных со­стояний в спектрах фотоэмиссии валентной зоны периодически корругированногографена.5.

Экспериментально исследована анизотропия электрон-фононного взаимо­действия в сильно легированном графене и оценена константа электрон-фононнойсвязи в системе Li/графен/силицид. Показано, что полученная оценка допускаетвозможность экспериментального обнаружения сверхпроводимости в однослой­ном графене.6.