Автореферат (Синтез и управление электронной структурой систем на основе графена), страница 6

Таким образом, ЭФВ в допированном графене оказываетсясильно анизотропным. Это проиллюстрировано на Рисунке 11d, где построенграфик зависимости от направления. При этом константа взаимодействия элек­тронов только с оптическими фононами 2 и 3 (23 ) оказывается почти изотроп­ной. Изучение допирования графена другими щелочными металлами показало,что подобная анизотропия наблюдается во всех системах с сильно допированнымграфеном [8]. Оценка возможной температуры перехода к сверхпроводимости поформуле Макмиллана на основе среднего значения = 0.34 и максимальной ве­личины = 0.4 дает = 0.4 − 1.5 K.

Такие температуры являются доступнымидля экспериментального наблюдения, поэтому система Li/графен/Co Si являетсявесьма перспективной для непосредственного обнаружения и изучения сверхпро­водимости в однослойном графене.В шестой главе рассматривается спиновое расщепление электронных состоя­ний графена при контакте с феромагнетиками. Электронная структура и свойстваграфена претерпевают значительные изменения, когда он находится в контакте сферромагнитными металлами, используемыми в качестве источников спин-поля­ризованных электронов.

Поэтому для практического использования графена вустройствах спинтроники важной задачей является изучение электронной струк­туры контактов графен-ферромагнетик и поиск систем, в которых в значитель­ной мере могли бы сохраняться коническая электронная структура вблизи уровняФерми и сопутствующие электронные свойства. В данной главе впервые экспери­ментально продемонстрировано существование электронных состояний с диспер­сией, подобной дираковскому конусу с вершиной вблизи F , в интерфейсе гра­фен/ферромагнетик.

Изучение высокоориентированной системы графен/Co(0001)с помощью ФЭСУР со спиновым разрешением показало, что наблюдаемая кону­сообразная зона образована электронами с одним направлением спина. Ключевойхарактеристикой системы, приводящей к появлению такой особенности, являетсявысокое качество структуры интерфейса, достигнутое при выборе подходящегопротокола синтеза.На Рисунках 12a,b показаны данные ДМЭ и СТМ системы графен/Co(0001),24Рис. 12.

Высокоориентированный графен на Co(0001): (a) картина ДМЭ, (b) изображение СТМ, (c)карта ФЭСУР вблизи K-точки ЗБ, (d) cтруктура графена в обратном пространстве и показанноеотрезком направление измерений, (c) данные ФЭСУР, демонстрирующие дисперсию спин-поля­ризованного интерфейсного состояния вблизи F .сформированной при температуре 660∘ C. Можно сказать, что решетка углероданаходится в хорошем соответствии с решеткой нижележащего слоя кобальта. Этовозможно вследствие малого рассогласования постоянных решетки, не превыша­ющего 2%, и сильного взаимодействия графена с подложкой. ДМЭ демонстрируетструктуру (1 × 1), а СТМ-изображения выявляют ось симметрии третьего порядкав системе, что указывает на неэквивалентность двух подрешеток углерода A и B,изображенных на вкладке рис.

12b. Это соответствовует структуре, в которой ато­мы одной подрешетки располагаются над атомами кобальта, а другие занимаютместа над междоузлиями.Глядя на карту зон, полученную с помощью ФЭСУР и показанную на Рисунке12c, можно выделить две ветви электронных состояний: (i) основной конус Ди­рака, сдвинутый по энергии на ∼ 2.8 эВ ниже F , и (ii) другую конусоподобнуюособенность вблизи F . Эта особенность увеличена на Рисунке 12e, где хорошовидна ее непосредственная близость к уровню Ферми.

Коническая форма этогосостояния, характерная для носителей заряда со свойствами дираковских ферми­онов, видна в изоэнергетических картах интенсивности, приведенных на Рисунке13b. Однако вершина конуса имеет параболическую форму, указывающую на то,что электроны не являются безмассовыми, в отличие от свободного графена.Согласно расчетам, наблюдаемое вблизи уровня Ферми интерфейсное состо­яние является следствием спин-зависимой гибридизации -орбиталей графена и25Рис. 13. Высокоориентированный графен на Co(0001): (a) спектры ФЭСУР со спиновым разреше­нием в K-точке ЗБ при намагниченности образца вдоль направления ΓK, (b) изоэнергетическиекарты интенсивности ФЭСУР в области мини-конуса.d-состояний кобальта, расщепленных обменным взаимодействием.

Вершина ди­раковского конуса свободного графена попадает в область объемных состоянийподложки с неосновным направлением спина (minority), поэтому гибридизацияприводит к разрушению конической зоны со спином minority. При этом у состо­яний кобальта с основным направлением спина (majority) в этом месте имеетсялокальная запрещенная зона, поэтому гибридизация не разрушает дираковскийконус со спином majority, а лишь приводит к открытию щели и параболическомувиду дисперсии вблизи вершины конуса.Измерения ФЭСУР со спиновым разрешением позволили полностью подтвер­дить теоретические предсказания. В спектрах, показанных на Рисунке 13a, вид­но, что для направления спина majority характерно наличие интенсивного пиканепосредственно под уровнем Ферми, тогда как в канале minority такой пик от­сутствует.

Наблюдаемый пик отражает высокую спиновую поляризацию кониче­ского интерфейсного состояния. Два малых пика, наблюдаемых при энергиях 0.2и 0.35 эВ в спектрах minority и majority, соответственно, соотносятся с краямиобъемных d-подзон кобальта с высокой плотностью состояний. Таким образом,полученные результаты убедительно демонстрируют существование спин-поляри­зованного дираковского конуса вблизи уровня Ферми в высокоориентированномграфене на поверхности Co(0001).Следует отметить, что аналогичное исследование графена на поверхностиNi(111) подтвердило наличие подобного спин-поляризованного состояния и вэтой системе. Однако спиновая поляризация выражена не так явно, как в слу­чае кобальта, по причине меньшего обменного расщепления в никеле и худшегокачества интерфейса графен/Ni(111).26ЗаключениеПроведенные исследования, позволили предложить новые способы синтезасистем на основе графена, а также выявить уникальные особенности их элек­тронной структуры.

Использование комбинации интегральных спектроскопиче­ских методов фотоэмиссии и рентгеновского поглощения с локальными методамитуннельной микроскопии позволило установить взаимосвязь между атомарнымстроением исследуемых систем и их электронными свойствами. В целом, полу­ченные результаты демонстрируют широкое разнообразие особенностей кристал­лической и электронной структуры графена, возникающих при взаимодействии сразличными типами подложек, адсорбатами, или в результате введения примесей.Это дает широкие возможности управления электронной структурой и другимисвойствами систем на основе графена, используя один или несколько из нижепе­речисленных подходов.Выбор подложки.

Продемонстрировано значительное влияние подложки какна кристаллическую, так и на электронную структуру двумерных слоев графе­на. Это влияние определяется материалом и кристаллической гранью поверхно­сти подложки. Одним из общих свойств рассмотренных систем является то, чтоослабление взаимодействия между графеном и подложкой приводит к формиро­ванию электронной структуры квазисвободного графена с дираковским электрон­ным спектром -состояний. Это характерно для графена на поверхности такихматериалов как благородные металлы, силициды d-металлов и гексагональныйнитрид бора h-BN.

Последний считается наиболее многообещающей подложкойдля графена с точки зрения перспектив его использования в электронике бла­годаря рекордно высокой подвижности носителей заряда, наблюдаемой в систе­ме графен/h-BN. В диссертации продемонстрировано формирование тончайшейструктуры металл-диэлектрик-полупроводник на основе графена, выращенного наповерхности интерфейса ML-h-BN/Au большой площади. Показано, что электрон­ная структура графена в этой системе характеризуется линейной дисперсией науровне Ферми и отсутствием переноса заряда.

Однако следует отметить, что дляуспешного использования в электронике подобные многослойные гетерострук­туры должны обладать крайне высоким структурным совершенством, поэтомунеобходимо дальнейшее изучение качества описанной системы, определение ти­па и количества дефектов и последующая оптимизация условий синтеза.Другой системой, представляющей фундаментальный и практический инте­рес, является контакт графена с силицидами d-металлов. В диссертации показано,что силициды никеля, кобальта и железа с различной стехиометрией можно сфор­мировать под графеном путем контролируемой интеркаляции кремния.

Сформи­рованные силициды защищены от окисления графеновым покрытием, что делаетих подходящими для использования в устройствах, контактирующих с воздухом.Показано, что силициды слабо взаимодействуют с графеном и почти не влияют наего электронную структуру. Обнаружено, что общей чертой интеркаляции крем­ния в пленки Ni, Co и Fe является формирование объемных и поверхностных фаз27силицидов, однако, среди рассмотренных металлов поверхностная фаза силициданаиболее легко формируется на поверхности кобальта.

При этом в объеме под­ложки формируется твердый раствор кремния в металле. Эти результаты могутбыть востребованы при разработке устройств, создаваемых в рамках идеологиивнедрения графена в существующую кремниевую электронику. Однако, несмотряна простоту формирования силицидов под графеном, неясным остается механизминтеркаляции, поэтому дальнейшие исследования должны показать, проникает ликремний сквозь существующие дефекты графена или создает новые в процессеинтеркаляции. Если кремний создает дефекты, то необходимо определить восста­навливается ли решетка графена после проникновения кремния в подложку.Одним из важных свойств графена является его эластичность. Благодаря эла­стичности взаимодействие графена с поверхностями, имеющими иную кристал­лическую структуру поверхности, может приводить к значительной корругации2D кристалла.