Диссертация (1145323), страница 30
Текст из файла (страница 30)
5.4a проиллюстрирована структурная модель сформированной многослойной системы, предложенная на основании анализа данных РФЭС и ДМЭ.178Синтезированный графен на поверхности Co(0001) характеризуется гексагональной картиной ДМЭ, указывающей на структуру (1 × 1). После интеркаляции Siпод графен в картине ДМЭ (рис. 5.4c) возникают дополнительные рефлексы,√√описываемые структурой ( 3 × 3)30∘ . Это указывает на сохранение гексагональной структуры системы и об образовании упорядоченной сверхрешеткисилицида кобальта в приповерхностном слое.
По данным РФЭС покрытие кремнием поверхности Co(0001) составило 1/3 монослоя. Поэтому если предположить, что при образовании силицида атомы Si замещают кобальт в решетке, томожно предложить простую структурную модель интерфейса графен/силицид,изображенную на рис. 5.4b.
Она соответствует стехиометрическому составу поверхности силицида Co2 Si и всецело согласуется с данными РФЭС и ДМЭ.Рис. 5.5. Данные РФЭС, полученные на различных стадиях синтеза исследуемой системы: (a) вокрестности дублета Si 2p (при энергии фотонов 135 эВ), (b) в окрестности C 1s (при энергиифотонов 350 эВ).Процесс интеркаляции кремния под графен легко проследить по даннымРФЭС. На рис. 5.5 приведены спектры РФЭС, записанные в области остовныхуровней Si 2p (рис.
5.5a) и C 1s (рис. 5.5b) на различных этапах интеркаляции,179начиная с исходного графена на кобальте. Пик C 1s в системе графен/Co имеетэнергию связи ∼ 285 эВ. Это значение на 0.5 эВ больше, чем в графите, что указывает на химическую связь углерода с кобальтом. Небольшое плечо со стороныменьших энергий связи указывает на наличие посторонних углеродсодержащихсоединений, возникших на поверхности при переносе образца через атмосферуиз одной установки в другую. Большая часть таких соединений десорбируютсяпри отжиге образца в вакууме при температуре 500∘ C, но небольшое количествоадсорбата сохраняется и после прогрева.Осаждение на графен слоя кремния толщиной 10 Å и последующий прогрев при температуре 500∘ C приводит к расщеплению линии C 1s по энергии надве компоненты.
Энергия связи одной из них соответствует контакту графен/Co.Вторая компонента смещена в сторону меньших энергий связи, что указываетна формирование островков силицида кобальта под слоем графена. Проникаяпод графен, кремний связывается с кобальтом, что ослабляет связь графена сподложкой и приводит к смещению пика C 1s. В соответствующем спектре Si 2pнаблюдаются по меньшей мере четыре спин-дублета, соответствующих кремниюв различных химических окружениях. По данным РФЭС с угловым разрешением(см.
рис. 3.11) основная компонента с наибольшей энергией связи 99.3 эВ (обозначенная на спектре символом “B”) соответствует кремнию, растворенному вCo. Такие атомы кремния, вероятно, окружены двенадцатью атомами кобальта. Вторая компонента с энергией связи 98.9 эВ (обозначенная символом “S”)происходит от кремния на поверхности кобальта, но под слоем графена. Такойповерхностный кремний, предположительно, имеет девять соседей Co. Другиедве компоненты с энергиями 98.7 и 99.1 эВ указывают на присутствие кремнияс другим количеством атомов Co в ближайшей координационной сфере.Осаждение еще одного слоя кремния толщиной 10 Å и последующий прогрев при температуре 600∘ C привел к полной изоляции слоя графена от химической связи с кобальтом, что проявляется в слиянии двух компонент C 1sв один пик с энергией связи 284.4 эВ, характерной для квазисвободного гра180фена [8].
Это указывает на формирование поверхностного силицида под всейплощадью графена и согласуется со значительным возрастанием интенсивностиповерхностной компоненты “S” в спектре Si 2p. При этом компонента с энергией99.1 эВ исчезает, а линия при 98.7 эВ становится едва заметной. Из этого можно сделать вывод, что эти компоненты отражают промежуточные неустойчивыесостояния кремния, возникающие при его диффузии в кобальте.На основании измеренных интенсивностей линий Co 3p, C 1s, а также поверхностной и объемной компонент Si 2p (в спектрах РФЭС, полученных приэнергии фотонов 470 эВ), была определена стехиометрия силицида кобальта.Предполагалось, что кремний распределен однородно в кобальте, за исключением самого верхнего монослоя, а глубина выхода фотоэлектронов не зависитот количества кремния в кобальте.
В результате было получено, что покрытие кремнием поверхности Co(0001) составляет ∼ 1/3 ML, что характерно длястехиометрии верхнего атомарного слоя подложки Co2 Si, если считать кремний встроенным в слой кобальта. На основании этого предложена структурнаямодель, изображенная на рис. 5.4a,b. Измеренная концентрация кремния в объеме кобальта оказалась равной ∼ 14 ат.%. Это соответствует твердому растворуCo Si, где ≈ 6.Осаждение лития на поверхность системы графен/силицид приводит к существенным изменениям в спектрах РФЭС. Энергия связи пика C 1s возрастает,что объясняется энергетическим сдвигом электронных состояний графена относительно уровня Ферми вследствие переноса заряда от щелочного металлаи заполнения пустых состояний графена. Также наблюдается изменение формыпика C 1s – возникает “хвост” с левой стороны.
Такое изменение формы спектранаблюдается также и в допированном литием графене на золоте [8] и, вероятно,обусловлено эффектами рассеяния электронов с участием плазмонов. В соответствующем спектре Si 2p наблюдается значительное смещение поверхностнойкомпоненты в сторону увеличения энергии связи. При этом энергия объемнойкомпоненты не изменяется. Из этого можно сделать вывод, что перенос заряда181от щелочного металла затрагивает не только графен, но также верхний слой силицида кобальта. Другими словами, не весь заряд, отданный литием, передаетсяграфену. Частично он поглощается подложкой.Рис.
5.6. Спектры ФЭСУР вблизи K-точки ЗБ на различных этапах формирования изучаемой системы: (a) графен/Co(0001)/W, (b) графен/Co2 Si/Co Si/W, (c) Li/графен/Co2 Si/Co Si/W. Спектрыизмерены в направлении k-пространства, перпендикулярном ΓK, что соответствует вертикальному направлению на рис. 5.7c).Для определения влияния интеркаляции кремния на валентную зону графена были проведены исследования электронной структуры методом ФЭСУР.На рис. 5.6a,b показана дисперсия зон вблизи точки K ЗБ графена до и послеинтеркаляции. Точка Дирака системы графен/Co(0001) находится при энергии∼ 2.9 эВ ниже F , как отмечено белой пунктирной линией на рис. 5.6a.
Выше этой энергии конус Дирака разрушен гибридизацией -состояний графена с3d-состояниями кобальта. После завершения интеркаляции Si (стадия “3” на рис.5.5) гибридизация исчезает, что приводит к смещению точки Дирака к уровнюФерми до энергии ∼ 0.15 эВ, как показано на рис.
5.6b. Интеркалированныйграфен характеризуется незначительным переносом заряда, а интенсивность состояний подложки около F почти исчезает. Это делает полученную системуподходящей для дальнейшего легирования щелочными металлами и изученияэлектрон-фононного взаимодействия в графене.182После осаждения лития на поверхность системы графен/силицид, как видно из рис.
5.6c, происходит сильное энергетическое смещение точки Диракадо энергии около 1.6 эВ. Адсорбция щелочного металла приводит к частичному заполнению зоны проводимости и увеличению поверхности Ферми, котораяу свободного графена исчезающе мала. Для построения поверхности Ферми спомощью ФЭСУР были проведены измерения дисперсии зон в области k-пространства вокруг точки K. Полученные данные показаны на рис. 5.7a. Очевидно,что при достигнутом уровне допирования форма поверхности Ферми существенно отличается от окружности, характерной для конуса Дирака, и представляетсобой искаженный треугольник. Измерение площади изоэнергетического сечения на уровне Ферми позволяет определить перенос заряда в соответствии свыражением = 4/, где – это количество электронов, приходящихся на одну элементарную ячейку графена, a – площадь ЗБ.
Измеренный перенос зарядасоставил ∼ 0.165 электрона на ячейку. Это значение заметно превосходит перенос заряда в случае системы Li/графен/Au, составляющий 0.11. Это показывает,что от выбора материала подложки в значительной мере зависит достижимыйуровень допирования. Можно предположить, что важную роль в переносе заряда может играть плотность состояний вблизи F приповерхностного слоя подложки, но для уверенного понимания причин наблюдаемых различий требуетсяпроведение расчетов из первых принципов.5.2.2. Анализ электрон-фононного взаимодействия с помощью ФЭСУРСогласно классической теории сверхпроводимости Бардина, Купера, Шриффера (БКШ) при взаимодействии электронов с колебаниями решетки возникаютмногочастичные корреляционные эффекты, приводящие к притяжению электронов с противоположными спинами и образованию куперовских пар.
При этомчем сильнее взаимодействие, тем выше температура перехода в сверхпроводящее состояние. Фотоэлектронная спектроскопия зарекомендовала себя как мощный метод изучения взаимосвязи между электронной структурой твердых тел и183Рис. 5.7. (а) Распределение интенсивности ФЭСУР в разрезе в окрестности точки K ЗБ. Верхнийсрез показывает поверхность Ферми. Пунктирной линией в нижней части показана сторона конуса Дирака, невидимая из-за малости сечения фотоионизации близко.
(b) Увеличенная областьв направлении ΓK, охватываемая пунктирным прямоугольником на рис. (а). Белой пунктирнойлинией показаны измеренные положения максимумов интенсивности (спектральной функции),а сплошной линией обозначена дисперсия состояний при выключенном электрон-фононном взаимодействии. (c) Область k-пространства с двумя изоэнергетическими картами интенсивности,одна из которых измерена на уровне F (поверхность Ферми), а вторая – в области излома дисперсии (кинка) при энергии ∼ 170 мэВ (показанного штриховой линией на панели (b)).
Стрелкауказывает вектор импульса фонона, который позволяет совместить указанные изоэнергетическиеповерхности. Граница ЗБ показана черной штриховой линией на панелях (a) и (c).феноменом сверхпроводимости [174], поскольку ФЭСУР дает информацию ободночастичной функции Грина (см. раздел 2.3), являющейся отправной точкой вописании многих многочастичных эффектов. Взаимодействие электронов с фононами проявляется в спектрах ФЭСУР двояко.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
