Автореферат (1150476)

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждениевысшего образования“САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ”На правах рукописиКЛИМОВСКИХ Илья ИгоревичЭлектронная и спиновая структура систем на основеграфена и топологических изоляторов.01.04.07 – Физика конденсированного состоянияАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукСанкт-Петербург - 20172Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете.Научный руководитель:Шикин Александр Михайловичдоктор физико-математических наук, ФГБОУ ВО«Санкт-Петербургский государственный университет»,профессор кафедры электроники твёрдого тела.Официальные оппоненты:Петров Владимир Никифоровичдоктор физико-математических наук, профессор,ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский политехническийуниверситет Петра Великого», г.

Санкт-Петербург.Пронин Игорь Иванович,доктор физико-математических наук, профессор,ФГБУН Физико-технический институт им. А.Ф. ИоффеРоссийской академии наук, г. Санкт-Петербург.Ведущая организация:ФГБУН Институт общей физики им. А.М. ПрохороваРАН, г. Москва.Защита диссертации состоится «____» _________ 2017 г в ____ часов на заседаниидиссертационного совета Д 212.232.33 по защите диссертаций на соискание учёной степеникандидата наук, на соискание учёной степени доктора наук при Санкт-Петербургскомгосударственном университете по адресу: 198504, г.

Санкт-Петербург, ул. Ульяновская, д.1,малый конференц-зал.С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке им. М. Горького СанктПетербургского государственного университета по адресу: 199034, Санкт-Петербург,Университетская наб., д.7/9. Диссертация и автореферат размещены на сайте disser.spbu.ru.Отзывы и замечания по автореферату в двух экземплярах, заверенные печатью, просьбавысылать по адресу: 198504, г. Санкт-Петербург, ул. Ульяновская, д.1, на имя ученогосекретаря диссертационного совета Д 212.232.33 Поляничко А.М.Автореферат диссертации разослан «_____» _________________2017 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 212.232.33Кандидат физ.-мат.

наук, доцентПоляничко А.М.3Общая характеристика работыАктуальность темы.Впоследниегодыосновнымнаправлениемразвитияфизикиконденсированного состояния является поиск и изучение новых типовматериалов, характеризующихся уникальными электронными, оптическими,магнитными или механическими свойствами, которые описываютсяфундаментально новыми принципами. Так недавно был открыт рядтвердотельных систем в которых динамика электронов описываетсярелятивистским уравнением Дирака вместо классического уравненияШредингера. При этом масса релятивистских фермионов может обращаться вноль, приводя к формированию линейной дисперсии электронных состояний, такназываемого конуса Дирака.

Такие материалы могут быть применены в самыхразличных прикладных областях вследствие целого ряда эффектов, не присущихклассической твердотельной электронике.Одной из таких систем с Дираковским конусом электронных состоянийявляется графен. Хотя монослойные покрытия атомов углерода были полученыеще в 1970-х годах, уникальные свойства графена, такие как аномально высокаяподвижность носителей заряда и полуцелый квантовый эффект Холла, былиоткрыты сравнительно недавно [1]. За исследования свободного графена в 2007году А. Гейму и К. Новоселову была присуждена Нобелевская премия.

Путемконтакта с различными материалами и функционализации графена оказалосьвозможным управлять его электронной структурой. Так, для эффективногоприменения в устройствах наноэлектроники, например транзисторах,необходимо наличие запрещенной зоны. Легирование различными атомами ииспользование специальных подложек для роста графена позволило не толькосоздать запрещенную зону, но и управлять типом проводимости и другимитранспортными свойствами. Для применения в спинтронике в качествеактивного элемента важно отсутствие вырождения состояний конуса Дирака поспину. Было продемонстрировано, что контакт графена с тяжелыми атомамизолота приводит к спин-орбитальному расщеплению типа Рашба, а контакт сферромагнитным кобальтом к формированию спин-поляризованного конусаДирака.Более того, спин-орбитальное взаимодействие в графене может такжеприводить к открытию запрещенной зоны в точке Дирака.

Путем контакта сатомами тяжелых металлов (Ir, Re, Pb и др.) было предсказано существенноеувеличение С.О. взаимодействия в графене, которое для легких атомов углеродаявляется небольшим. При этом, запрещенная зона открытая вследствие С.О.взаимодействия является топологически неэквивалентной щелям в классическихматериалах [2]. Более того, внутри запрещенной зоны на границе такого графенавозникают топологические краевые 1D состояния, поляризованные по спину.Они позволяют реализовать 1D каналы для спинового транспорта без рассеяния,что открывает для применения графена совершенно новую область – квантовых4компьютеров. Открытие топологической фазы вещества в 2016 году былоудостоено Нобелевской премии.Предсказанная теоретически топологическая фаза в графене на данныймомент не была обнаружена экспериментально. Однако топологическая фазабыла реализована в других квазидвумерных системах - квантовая яма HgTe ибислой Bi [3].

Концепция топологических изоляторов также применима наслучай трехмерных материалов. Такие системы являются объемнымиизоляторами, но на поверхности имеют топологические спин-поляризованныесостояния, защищенные от внешних воздействий. При этом линейная дисперсиятопологических состояний образует конус Дирака, аналогичный графеновому,только невырожденный по спину. На данный момент в ряде систем, в том числеBi2Se3, Bi2Te3 и PbBi4Te7, выявлена фаза 3D топологического изолятора иналичие конуса Дирака сформированного поверхностными топологическимисостояниями [4]. С целью эффективного использования в спинтронике иквантовых вычислениях интенсивно проводится поиск новых соединений сболее широкой объемной запрещенной зоной и управляемым положением точкиДирака.Изучению нового класса Дираковских материалов графена и топологическихизоляторов уделяют все большее внимание множество отечественных изарубежных научных коллективов.

Помимо несомненного прикладного интересаэти материалы позволяют реализовать неожиданные феномены из областифизики элементарных частиц, такие как магнитный монополь или фермионыМайорана – частицы, тождественные своим античастицам. Для их наблюдения идля применения в устройствах спинтроники и квантовых компьютеровнеобходима возможность надежного управления электронной и спиновойструктурой топологических изоляторов и графена. В свете этого, исследованияпроведенные в рамках настоящей диссертации представляются актуальными, арезультаты – существенным вкладом в дальнейшее развитие направления.Цель диссертационной работы.Исследование электронной и спиновой структуры двух типов систем сповышенным спин-орбитальным взаимодействием: графена при контакте стяжелыми металлами и двух- и трехмерных топологических изоляторов сразличным составом. Для достижения поставленной цели были решеныследующие задачи:1.

Изучено влияние индуцированного спин-орбитального взаимодействияна конус Дирака в графене при контакте с металлами Pt, Ir, Pb.2.Определены условия для создания топологической фазы в графене.3. Проанализирована поверхностная зонная структура и спиноваяполяризация состояний в соединениях Bi2Te2.4Se0.6, PbBi2Te2Se2 иPbBi4Te4Se3, являющихся топологическими изоляторами.54. Исследованы условия формирования бислоя висмута, являющегосядвумерным топологическим изолятором, на поверхности системыBi2Te2.4Se0.6 при температурном отжиге.Научная новизна.Работа содержит большое количество новых экспериментальных иметодических результатов. Ниже перечислены наиболее значимые результаты:1.

Графен, сформированный на поверхности Pt(111), обладает линейнойдисперсией вблизи уровня Ферми и точкой Дирака при 150 мэВ вышеуровня Ферми. Спин-зависимые эффекты гибридизации состояний графенаи платины наблюдаются в области энергий связи 0–2 эВ, что приводит кснятию вырождения состояний конуса Дирака в графене.2. Спиновое расщепление π состояний графена на Pt(111) зависит отнаправления в зоне Бриллюэна и достигает 200 мэВ.

При этом спиноваяструктура конуса Дирака не может быть описана в рамках Рашба модели, иявляется следствием “эффектов непересечения” d состояний Pt и πсостояний графена непосредственно в области точки Дирака.3. Интеркаляция монослоя атомов Pt под графен на Ir(111) приводит ксдвигу точки Дирака до 150 мэВ выше уровня Ферми. При этомрасщепление состояний графена типа Рашба уменьшается до 20 мэВ иувеличивается влияние “эффектов непересечения” вблизи уровня Ферми.4.

Интеркаляция монослоя атомов Pb под графен на Pt(111) приводит ксдвигу точки Дирака на 350 мэВ в сторону увеличения энергии связи, темсамым меняя тип проводимости с p-типа на n-тип. Электронная структураграфена при этом характеризуется запрещенной зоной шириной около 200мэВ между π и π* состояниями.

Спиновая текстура состояний графенавблизи запрещенной зоны может быть описана моделью Кэйна-Мила дляграфена с повышенным “внутренним” спин-орбитальным взаимодействием.5. Соединения Bi2Te2.4Se0.6, PbBi2Te2Se2 и PbBi4Te4Se3 являютсятрехмерными топологическими изоляторами. Электронная структурахарактеризуется конусом Дирака, образованным поверхностнымитопологическими состояниями. Спиновая поляризация конуса Диракаоказывается геликоидальной, а положение точки Дирака управляется составом соединения.6.

Поверхностные слои трехмерного топологического изолятора Bi2Te2.4Se0.6перестраиваются при прогреве образца до 400° C. Вследствие испаренияатомов Te и Se на поверхности образуются островки Bi2, являющимсядвумерным топологическим изолятором. Исследованы изменения вэлектронной и спиновой структуре в результате перестройки поверхности.6Практическая значимость.Знание особенностей электронных и спиновых свойств нового классаматериалов – графена и топологических изоляторов – необходимо для решенияряда фундаментальных и прикладных задач, в том числе создания устройствспинтроники и квантовых компьютеров на их основе. В работе изучаютсяконтакты графена с различными металлами и определяются механизмымодификации конуса Дирака, необходимые для применения графена всовременной наноэлектронике.

Характеристики

Тип файла PDF

PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.

Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.

Список файлов диссертации