Диссертация (1150477)
Текст из файла
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшегообразования“САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ”На правах рукописиКЛИМОВСКИХ Илья ИгоревичЭлектронная и спиновая структура систем на основе графена итопологических изоляторовСпециальность 01.04.07 – Физика конденсированного состоянияДиссертация на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукНаучный руководитель:доктор физико-математических наукШикин Александр МихайловичСанкт-Петербург – 2017СодержаниеВведение .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41 Обзор литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101.1Спин-орбитальное взаимодействие в низкоразмерных системах . . . . . . . . .101.2Электронная и спиновая структура графена . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .151.2.1Дираковские фермионы в графене . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .151.2.2Спин-орбитальное взаимодействие в графене . . . . . . . . . . . . . . .181.3Спиновое расщепление и топологическая фаза в графене . . . . . . . . . . . .211.4Двух- и трехмерные топологические изоляторы . .
. . . . . . . . . . . . . . . .251.4.12D топологическая фаза и квантовый спиновый эффект Холла . . . . .251.4.2Дираковские фермионы на поверхности 3D топологических изоляторов282 Экспериментальные методы исследования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342.1Фотоэлектронная спектроскопия .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .342.2ФЭС с угловым и спиновым разрешением . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .382.3Дифракция медленных электронов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .412.4Сканирующая туннельная микроскопия . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .432.5Экспериментальные станции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .443 Спин-орбитальное взаимодействие в графене при контакте с тяжелымиметаллами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . 493.1Графен на монокристалле Pt(111) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .493.1.1Синтез и характеризация системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .493.1.2Исследование электронной структуры системы . . . . . . . . . . . . . .533.1.3Анализ спиновой структуры Дираковского конуса . . . . . . . .
. . . .593.2Интеркаляция монослоя Pt под графен на Ir(111) . . . . . . . . . . . . . . . . .613.3Интеркаляция монослоя Pb под графен на Pt(111) . . . . . . . . . . . . . . . .673.4Выводы к главе 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .75234 Особенности нового класса 3D и 2D топологических изоляторов .
. . . . . 784.13D топологический изолятор Bi2 Te2.4 Se0.6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .794.23D топологические изоляторы PbBi2 Te2 Se2 и PbBi4 Te4 Se3 . . . . . . . . . . . .854.3Бислой Bi на поверхности Bi2 Te2.4 Se0.6 сформированный прогревом системы .894.4Выводы к главе 4 . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .95Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100ВведениеАктуальность работыВ последние годы основным направлением развития физики конденсированного состояния является поиск и изучение новых типов материалов, характеризующихся уникальнымиэлектронными, оптическими, магнитными или механическими свойствами, которые описываются фундаментально новыми принципами.
Так недавно был открыт ряд твердотельныхсистем в которых динамика электронов описывается релятивистским уравнением Диракавместо классического уравнения Шредингера. При этом масса релятивистских фермионовможет обращаться в ноль, приводя к формированию линейной дисперсии электронных состояний, так называемого конуса Дирака. Такие материалы могут быть применены в самыхразличных прикладных областях вследствие целого ряда эффектов, не присущих классической твердотельной электронике.Одной из таких систем с Дираковским конусом электронных состояний является графен.Хотя монослойные покрытия атомов углерода были получены еще в 1970-х годах, уникальные свойства графена, такие как аномально высокая подвижность носителей заряда и полуцелый квантовый эффект Холла, были открыты сравнительно недавно. За исследованиясвободного графена в 2007 году А.
Гейму и К. Новоселову была присуждена Нобелевскаяпремия. Путем контакта с различными материалами и функционализации графена оказалось возможным управлять его электронной структурой. Так, для эффективного применения в устройствах наноэлектроники, например транзисторах, необходимо наличие запрещенной зоны. Легирование различными атомами и использование специальных подложекдля роста графена позволило не только создать запрещенную зону, но и управлять типомпроводимости и другими транспортными свойствами. Для применения в спинтронике в качестве активного элемента важно отсутствие вырождения состояний конуса Дирака по спину.Было продемонстрировано, что контакт графена с тяжелыми атомами золота приводит кспин-орбитальному расщеплению типа Рашба, а контакт с ферромагнитным кобальтом кформированию спин-поляризованного конуса Дирака.
Однако предложенные способы моди-45фикации пока не позволяют внедрить графен в существующие технологии электронных испинтронных устройств.Принципиально иной путь вариации электронной структуры графена был предложен Д.Халдэйном и развит С. Кэйном и Е. Милом. Оказалось, что спин-орбитальное взаимодействие в графене помимо расщепления типа Рашба может также приводить к открытию запрещенной зоны в точке Дирака.
Путем контакта с атомами тяжелых металлов (Ir, Re, Pb идр.) было предсказано существенное увеличение С.О. взаимодействия в графене, которое длялегких атомов углерода является небольшим. При этом, запрещенная зона открытая вследствие С.О. взаимодействия оказалась топологически неэквивалентна щелям в классическихматериалах. Подобно уровням Ландау в квантовом эффекте Холла (КЭХ) конус Дирака сС.О. запрещенной зоной не может быть адиабатически переведен в обычную зонную структуру, однако, в отличие от КЭХ, в этом случае не происходит нарушения симметрии обращениявремени.
Более того, внутри запрещенной зоны на границе такого графена возникают топологические краевые 1D состояния, поляризованные по спину. Они позволяют реализовать1D каналы для спинового транспорта без рассеяния, что открывает для применения графена совершенно новую область – квантовых компьютеров. Открытие топологической фазывещества в 2016 году было удостоено Нобелевской премии.Предсказанная теоретически топологическая фаза в графене на данный момент не былаобнаружена экспериментально. Однако топологическая фаза была реализована в других квазидвумерных системах - квантовая яма HgTe и бислой Bi. После этого концепция топологических изоляторов была расширена на случай трехмерных материалов.
Такие системы являются объемными изоляторами, но на поверхности имеют топологические спин-поляризованныесостояния, защищенные от внешних воздействий. При этом линейная дисперсия топологических состояний образует конус Дирака, аналогичный графеновому, только невырожденныйпо спину. На данный момент в ряде систем, в том числе Bi2 Se3 , Bi2 Te3 и PbBi4 Te7 , выявленафаза 3D топологического изолятора и наличие конуса Дирака сформированного поверхностными топологическими состояниями. С целью эффективного использования в спинтроникеи квантовых вычислениях интенсивно проводится поиск новых соединений с более широкойобъемной запрещенной зоной и управляемым положением точки Дирака.Изучению нового класса Дираковских материалов графена и топологических изоляторовуделяют все большее внимание множество отечественных и зарубежных научных коллективов.
Помимо несомненного прикладного интереса эти материалы позволяют реализоватьнеожиданные феномены из области физики элементарных частиц, такие как магнитный монополь или фермионы Майорана – частицы, тождественные своим античастицам. Для их6наблюдения и для применения в устройствах спинтроники и квантовых компьютеров необходима возможность надежного управления электронной и спиновой структурой топологических изоляторов и графена. В свете этого, исследования проведенные в рамках настоящейдиссертации представляются актуальными, а результаты – существенным вкладом в дальнейшее развитие направления.Цель диссертационной работыИсследование электронной и спиновой структуры двух типов систем с повышенным спинорбитальным взаимодействием: графена при контакте с тяжелыми металлами и двух- и трехмерных топологических изоляторов с различным составом.
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.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
