Автореферат (Синтез и управление электронной структурой систем на основе графена), страница 2

Продемонстрировано формирование высокоориентированного графена на по­верхности Co(0001) и экспериментально доказано существование в нем интер­фейсного электронного состояния с одним направлением спина.Практическая значимость. Многие из полученных результатов могут бытьиспользованы при разработке прототипов электронных устройств на основе гра­фена.

В частности, результаты исследования графена, легированного азотом илибором, важны для придания графену электронной или дырочной проводимости.Обнаруженная возможность внедрения атомов примеси в одну из двух подреше­ток графена является важным шагом к созданию уникальных легированных слоев,в которых тип и концентрация носителей заряда определяются типом и количе­ством примеси, а ширина запрещенной зоны – пространственным распределениемпримесных атомов. Методики синтеза и результаты исследований легированногографена могут быть востребованы при создании новых материалов для храненияэнергии, например, для повышения эффективности углеродных электродов су­перконденсаторов и литиевых батарей путем введения примесей. Формированиеи изучение свойств контакта графена с силицидами металлов важно для разработ­ки способов совмещения графена с существующими кремниевыми технологиями.Обнаруженные особенности спиновой структуры систем графен/ферромагнетикпредставляют интерес для использования в устройствах спинтроники.Методология и методы исследования.

В центре внимания в данной дис­сертации находятся строение и электронная энергетическая структура исследуе­мых систем на основе графена, поскольку эти характеристики играют решающуюроль в понимании физико-химических свойств материалов. Выбор методологииисследования обусловлен стремлением понять особенности изучаемых систем инаблюдаемых явлений на атомарном уровне. Поэтому все исследуемые системыформировались на монокристаллических поверхностях со структурой близкойк идеальной. Синтез систем на монокристаллах металлов в условиях сверхвы­сокого вакуума обеспечил высокую чистоту образцов, хорошую проводимость6и ориентированность кристаллической структуры, что позволило использоватьмощный метод исследования дисперсии электронных состояний – фотоэлектрон­ную спектроскопию с угловым разрешением (ФЭСУР).

Дополнительно к ФЭС­УР использовались рентгеновская спектроскопия краев поглощения (NEXAFS) ирентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС) для анализа стехиомет­рии и химического состояния атомов в образцах, а также углов направленности и орбиталей. Для определения интегральных характеристик кристалличе­ской структуры систем применялась дифракция медленных электронов (ДМЭ),а для визуализации локального строения поверхности использовалась сканирую­щая туннельная микроскопия (СТМ) и спектроскопия (СТС).

Все используемыеметоды обладают высокой поверхностной чувствительностью, необходимой дляизучения двумерных материалов.Научные положения, выносимые на защиту:1. Разработанный способ формирования графена на поверхности квазисвобод­ного монослоя гексагонального нитрида бора позволяет изготовить ультратонкуюструктуру металл-диэлектрик-полупроводник, в которой графен характеризуетсядираковским электронным спектром без переноса заряда.2. Интеркаляция кремния под графен, синтезированный на ферромагнитныхd-металлах, приводит к формированию квазисвободного графена на поверхностисилицидов этих металлов. Стехиометрия силицидов определяется типом метал­ла и условиями интеркаляции.

В случае подложки Co(0001) кремний образуеттвердый раствор в объеме, и стабильную поверхностную фазу кристаллическогосилицида на поверхности, контактирующей с графеном.3. Разработанный способ синтеза легированного азотом высокоориентирован­ного графена на поверхности Ni(111), позволяет внедрить 1 − 2 ат.% примеси, ха­рактеризуемой преимущественно пиридиновой конфигурацией связей и p-типомдопирования. Показано, что интеркаляция золота под N-графен с последующимотжигом системы приводит к превращению большинства пиридиновых примесейв азот замещения, являющийся эффективным электронным донором.4. В N-графене эффективность конверсии пиридиновой примеси азота в заме­щающую определяется взаимодействием с материалом подложки и в ряду ме­таллов Ni, Au, Cu, Ag, Pd достигает максимума (до 80%) на поверхности Au.

Вначале конверсии допирующий эффект замещающего азота в значительной ме­ре подавляется пиридиновой примесью, но по мере превращения эффективностьдопирования возрастает до уровня 0.5 электрона на атом азота. Это позволяетконтролировать тип и концентрацию носителей заряда в графене.5.

Разработанный способ синтеза легированного бором графена на поверх­ностях Ni и Co, позволяет контролировать концентрацию примеси вплоть до∼ 19 aт.%. При этом атомы бора преимущественно замещают атомы углеродав решетке графена. При низких концентрациях бора (< 5 ат.%) в системе B-гра­фен/Ni(111) наблюдается предпочтительное внедрение примеси в одну из двухподрешеток графена. При высоких концентрациях бор внедрен хаотично и при­водит к сильному разупорядочению решетки.76. Контролируемая хемосорбция атомарного водорода и дейтерия на графенпозволяет создать запрещенную зону и управлять ее шириной вплоть до ∼ 1 эВ.В процессе хемосорбции наблюдается обратный кинетический изотопный эффект,приводящий к более активной адсорбции дейтерия по сравнению с водородом.7.

Электрон-фононное взаимодействие в сильно допированном графене харак­теризуется значительной анизотропией функции Элиашберга. В спектре взаимо­действия помимо оптических фононов графена с энергией 0.16 − 0.2 эВ при­сутствуют низкоэнергетичные фононы с энергией около 0.07 эВ, вносящие ос­новной вклад в анизотропию ЭФВ.

Адсорбция лития на поверхность графена,сформированного на силициде кобальта, приводит к повышению константы элек­трон-фононной связи до 0.34, что предполагает появление сверхпроводимости вграфене при температурах, доступных для экспериментальных наблюдений.8. В электронной структуре высококачественного интерфейса графен/Co(0001)вблизи уровня Ферми образуется спин-поляризованное интерфейсное состояние,имеющее коническую дисперсию и заселенное электронами с одним направлени­ем спина, что является следствием спин-зависимой гибридизации дираковскогоконуса графена с 3d состояниями Co, расщепленными обменным взаимодействи­ем.Степень достоверности и апробация результатов.

Высокая степень досто­верности результатов обеспечивается их проверенной воспроизводимостью в раз­личных экспериментальных установках, использованием самого современногооборудования, применением широкого спектра взаимодополняющих методов, атакже согласием с результатами теоретических расчетов. Основные результа­ты работы были представлены и обсуждались на научных семинарах Санкт­Петербургского государственного университета (СПбГУ), а также на следующихроссийских и международных конференциях: XV Международный Симпозиум“Нанофизика и Наноэлектроника” (Нижний Новгород, 2011), International conference “Advanced Carbon Nanostructures” (ACN) (Санкт-Петербург, 2011), International conference “Atomically Controlled Surfaces and Interfaces” (ACSIN) (Санкт­Петербург, 2011), German-Russian Conference on Fundamentals and Applications ofNanoscience (Берлин, 2012), 2nd International School on Surface Science “Technologies of Measurements on Atomic Scale” (SSS TMAS) (Сочи, 2012), 11th Internationalconference “Advanced Carbon NanoStructures” (ACNS) (Санкт-Петербург, 2013), International Student Conference “Science and Progress” (Санкт-Петербург, 2013), 3rdInternational School on Surface Science “Technologies of Measurements on AtomicScale” (SSS TMAS) (Сочи, 2013), 5th Joint BER II and BESSY II User Meeting(Берлин, 2013), XLVIII Школа ПИЯФ по Физике Конденсированного Состояния(ФКС) (Санкт-Петербург, 2014), European Workshop on Epitaxial Graphene and 2DMaterials (EWEG/2D’2014) (Хорватия, 2014), The 2nd International Conference onEmission Electronics (ICEE-2014) (Санкт-Петербург, 2014), Interaction Effects inGraphene and Related Materials (IEGR Workshop) (Сан-Себастьян, 2015), перваяРоссийская конференция “Графен: молекула и 2D-кристалл” (Новосибирск, 2015).Полученные результаты были удостоены премии СПбГУ “За вклад в науку мо­8лодых исследователей” за цикл научных трудов “Системы на основе графена:фундаментальные свойства и методы синтеза для использования в наноэлектро­нике и спинтронике” в 2013 г.Публикации.

Материалы диссертации опубликованы в 24 научных статьях врецензируемых журналах [1–24] и в 30 тезисах докладов.Личный вклад автора. Все представленные результаты получены авторомлично, либо в соавторстве при его непосредственном участии. Личный вкладавтора состоит в постановке задач и участии в экспериментах, в обработке данных,анализе, систематизации и публикации полученных результатов.

Из 24 научныхстатей по теме диссертации 15 были подготовлены лично автором.Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения и 6 глав.Работа содержит число страниц – 258, рисунков – 81. Список цитированной ли­тературы содержит число ссылок – 329.Основное содержание работыВо введении обоснована актуальность и сформулирована цель диссертацион­ной работы, указана научная новизна исследований, описана практическая зна­чимость полученных результатов, представлены выносимые на защиту основныенаучные положения.В первой главе дано описание объекта исследований, проведен анализ суще­ствующих экспериментальных и теоретических работ по изучению кристалличе­ской и электронной структуры графена в различных системах. Особое вниманиеуделено технологиям формирования систем и влиянию подложки на свойстваграфена.

Также рассмотрены основные подходы к функционализации графена,включая ковалентную, нековалентную и ионную функционализацию, приведеныосновные результаты по модификации графена путем внедрения примесей. Наосновании анализа литературы сформулированы основные направления исследо­ваний, которым посвящены следующие главы диссертации.Во второй главе дано краткое описание основных методов исследования иприведена справочная информация, необходимая для понимания излагаемого вдиссертации материала.