Диссертация (1145323), страница 19
Текст из файла (страница 19)
В качестве модельного потенциала использована простейшая 2Dпериодическая функция с гексагональной симметрией и периодом верхнего слояиридия:2 (︁ (, ) =cos [2( − 0 )] +9[︁+ cos (0 − +где =√2 ,3√]︁[︁√ ]︁)︁3) + cos (0 − − 3)(3.16) – это период, – амплитуда, 0 – сдвиг. Корругация моделировалась функцией такого же типа, но с периодом сверхрешетки.На рис. 3.25a,b показаны результаты моделирования, в которых зоны былиуширены по энергии и импульсу для лучшего визуального восприятия. В случае некорругированного ML-h-BN и в присутствии внешнего потенциала (рис.3.25a) можно видеть появление небольших запрещенных зон вблизи K-точкиЗБ.
Амплитуда потенциала (0.7 эВ) была выбрана так, чтобы получить заметнуюширину щели (∼ 0.23 эВ). Очевидно, что присутствуют следы реплицированныхзон, однако их интенсивность заметна лишь вблизи точки пересечения с основной зоной (см. вкладки). Такое поведение не согласуется с экспериментальными115Рис. 3.25. Расчитанные интенсивности карт ФЭСУР для ML-h-BN в случае (a) внешнего потенциала с амплитудой 0.7 эВ, (b) корругации с амплитудой −0.7 Å при энергии фотонов 40 эВ, и(c) при той же корругации, но с учетом наблюдаемого в эксперименте уширения и -зон.данными, поэтому можно сказать, что потенциал подложки не является основнойпричиной формирования реплик.Теперь рассмотрим случай корругированного слоя без внешнего потенциала(рис. 3.25b). Амплитуда корругации 0.7 Å была выбрана близкой к измеренномузначению в системе графен/Ir [78], хотя более высокая интенсивность рефлексовсверхструктуры в картинах ДМЭ ML-h-BN (рис. 3.21c) по сравнению с графеномна Ir (рис.
3.21g) указывает на более значительную величину корругации. Врамках рассматриваемой модели реплики в спектрах фотоэмиссии образуютсябез запрещенных зон, а их распределение интенсивности оказывается подобнымраспределению интенсивности в основных ветвях дисперсии. Такое поведениехорошо соответствует наблюдаемым особенностям спектров ФЭСУР для h-BN, вкотором запрещенные зоны экспериментально не наблюдаются.
Поэтому можносделать вывод, что в случае слоя h-BN за возникновение реплик отвечает восновном корругация кристалла.Следует отметить, что модель предсказывает довольно интенсивные реплики -зоны, что на первый взгляд противоречит экспериментальным данным. Однако значительное уширение зон может эффективно скрывать дополнительные116ветви дисперсии. В частном случае h-BN ширина ветви -состояний значительно больше, чем в случае -ветвей. На рис. 3.25c показана расчитанная картаинтенсивности ФЭСУР корругированного h-BN в случае, когда зоны уширенытаким образом, чтобы воспроизвести экспериментально наблюдаемую ширину.Очевидно, что большая ширина -ветвей в сравнении с приводит к тому, чтореплики -зоны становятся почти неразличимы.
В случае графена -ветви имеют меньшую ширину, чем в h-BN, что объясняет, почему -реплики лучше виднов случае графена. Это может также объяснить, почему малые запрещенные зоныне наблюдаются в системе h-BN/Ir, но видны в графене на Ir.Рис. 3.26. Расчитанные интенсивности карт ФЭСУР для графена в случае (a) внешнего потенциала с амплитудой 0.7 эВ, (b) корругации с амплитудой −0.5 Å при энергии фотонов 40 эВ.Рассмотрим теперь моделирование системы графен/Ir. Чтобы вычислить интенсивность спектров ФЭСУР была рассмотрена сверхрешетка (9 × 9) в соответствии с результатами СТМ исследований [80].
На рис. 3.26a показаны результатымоделирования в случае такого же внешнего потенциала, который использовалсяв модели с ML-h-BN. Аналогично системе с ML-h-BN, можно наблюдать появление ярко выраженной малой запрещенной зоны в -зоне между точками Γ и K(см. вкладку). Ее ширина составила 0.21 эВ, что близко к экспериментальномузначению [262]. В то же время модель предсказывает отсутствие запрещенной117зоны в точке Дирака.
Интенсивность реплик мала и заметна лишь вблизи запрещенных зон.Результаты расчета в случае корругированного графена на Ir(111) показанына рис. 3.26b. Здесь использовалась меньшая амплитуда корругации (−0.5 Å),чем в случае h-BN, хотя это не влияет на качественный анализ. Очевидно, чтов этом случае реплики появляются в модельном спектре ФЭСУР, что указываетна то, что интенсивность реплик определяется корругацией, тогда как появлениемалых запрещенных зон вызвано влиянием потенциала подложки.Следует также отметить, что гибридизация с состояниями подложки можеттакже влиять на реплицированные зоны, особенно на -зоны, тогда как -зонырасположены энергетически достаточно далеко от состояний иридия, поэтомуэффекты гибридизации в них не ожидаются.Таким образом, обобщая обсуждение различных механизмов и учитываязначительную корругацию двумерных систем, наблюдавшуюся с помощью СТМ,можно сказать, что геометрическая особенность рассмотренных систем – их корругация – является основной причиной возникновения реплицированных зон вспектрах ФЭСУР.
Этот вывод, однако, не объясняет отсутствия реплик -зоныв системе графен/Ru(0001) [260] с сильным взаимодействием, где корругациясчитается большей, чем в графене на Ir [246]. Это указывает на необходимостьпроведения более основательных расчетов из первых принципов, учитывающихвсе особенности взаимодействия в системах. Рассмотренная простая модель является полезной для понимания феномена, но не претендует на всеобъемлющуюуниверсальность.3.4. Выводы к главеПриведенные в этой главе результаты демонстрируют, что подложка оказывает значительное влияние как на кристаллическую, так и на электроннуюструктуру двумерных слоев графена и гексагонального нитрида бора. Это влия118ние зависит от материала и кристаллической грани поверхности подложки. Общим среди рассмотренных систем является то, что ослабление химической связимежду графеном и подложкой приводит к формированию электронной структуры квазисвободного графена с конической дисперсией -состояний.
Подобнаяэлектронная структура характерна для графена, находящегося на поверхностяхразличных материалов, включая h-BN, благородные металлы (Ir, Au и др.), силициды d-металлов.В настоящее время считается, что наиболее подходящей подложкой дляформирования графена с целью его использования в быстродействующих электронных устройствах является поверхность h-BN [273]. Помимо того, что h-BNявляется диэлектриком, на этой поверхности наблюдается наибольшая подвижность носителей заряда в графене благодаря химической инертности, гладкомурельефу и отсутствию зарядовых примесей [274].
В данной главе продемонстрировано формирование графена на слое h-BN моноатомной толщины. Впервые показано, что сильное химическое взаимодействие ML-h-BN с подложкой Ni(111)может быть эффективно устранено путем интеркаляции золота. Разработана процедура формирования ультратонкой структуры металл-диэлектрик-полупроводник на основе графена, выращенного методом CVD на поверхности интерфейсаML-h-BN/Au. С помощью ФЭСУР показано, что электронная структура графена в этой системе характеризуется линейной дисперсией на уровне Ферми иотсутствием переноса заряда.Другой системой, представляющей интерес для углеродной электроники,является контакт графена с силицидами d-металлов. В главе показано, что силициды никеля, кобальта и железа с различной стехиометрией могут быть сформированы под графеном путем контролируемой интеркаляции кремния.
Полученные силициды защищены от окисления графеновым покрытием, что делает ихпривлекательными для использования в устройствах, контактирующих с воздухом. При этом силициды слабо взаимодействуют с графеном и почти не влияютна его электронную структуру. Обнаружено, что общей чертой интеркаляции119кремния в пленки Ni, Co и Fe является формирование объемных и поверхностных фаз силицидов, однако, среди рассмотренных металлов кобальт вмещаетнаименьшее количество кремния и тяготеет к образованию лишь поверхностнойфазы силицида. При этом концентрация кремния в объеме Co остается в пределах, характерных для твердого раствора. Значительная термическая стабильностьконтакта графена с силицидом кобальта и слабое взаимодействие между нимипозволили выбрать эту систему для изучения влияния адсорбции щелочногометалла на электрон-фононное взаимодействие в графене, которому посвященраздел 5.2.Следует отметить, что не только кремний способен образовывать соединения с подложкой в процессе интеркаляции под графен.
Аналогичное явлениеможно наблюдать при интеркаляции алюминия в систему графен/Ni с образованием объемного сплава алюминия с никелем [12]. Интеркаляция германия подграфен на d-металлах также может приводить к образованию широкого спектра германидов. Взаимодействие графена с этими материалами также являетсяслабым.Одним из интригующих свойств графена является его гибкость. Благодаряэтому свойству взаимодействие графена с подложками с различной кристаллической структурой поверхности может приводить к значительной корругации 2Dкристалла и формированию структур муара, которые могут быть использованы вкачестве шаблонов для формирования различных наноструктур, например, массива кластеров на поверхности системы графен/Ir(111) [242]. В данной главепроведен сравнительный анализ структурных и электронных свойств монослоевh-BN и графена, выращенных на поверхности Ir(111).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
