Диссертация (1150477), страница 15
Текст из файла (страница 15)
Около kk =1.5 Å1при их приближении к ⇡ состоянию графена наблюдаются эффекты непересечения состояний, которые модифицируют спиновую структуру графена. После интеркаляции Pb, энергиясвязи ⇡ зоны увеличивается на ' 0.35 эВ, о чем можно судить по сдвигу зоны в ¯ точке. Приэтом, легко видеть что эффекты гибридизации Pt 5d и графеновых состояний заметно ослабевают, не приводя к нарушению дисперсии ⇡ зоны в области kk =1.4-1.6 Å 1 .
Ослаблениевзаимодействия графена с подложкой после интеркаляции Pb было также продемонстрировано в работе [118].Как было отмечено выше, вследствие допинга графена ⇡ ⇤ состояние переходит в заполненную зону, и на рисунке 3.11г легко видеть отсутствие пересечения ⇡ и ⇡ ⇤ зон. Таким образом,в графене на Pb/Pt(111) наблюдается n допинг, существенное ослабление гибридизации с Ptсостояниями и запрещенная зона в точке Дирака, шириной около ' 0.2 эВ.
Согласно расчетам [49,50], эта запрещенная зона может быть открыта вследствие увеличения “внутреннего”спин-орбитального взаимодействия при контакте графена с Pb слоем.В главе 1 были рассмотрены два различных типа С.О. взаимодействия в графене - Рашбаили “внешнее” и “внутреннее”. При этом было показано, что в случае преобладания параметраРашба С.О.
взаимодействия |BR |над “внутренним” | I | наблюдается расщепление состоянийконуса Дирака по спину, при этом в точке Дирака имеет место пересечение состояний ⇡ и⇡ ⇤ , то есть запрещенная зона отсутствует. Если же | I | оказывается больше |BR |то в точкеДирака открывается щель, причем спиновое расщепление может также иметь место, однакоего величина будет разной для ⇡ и ⇡ ⇤ состояний, см. рис. 1.6г.Данная спиновая структура может быть подтверждена спин-разрешенными ФЭСУР измерениями. На рисунке 3.12а представлены ФЭСУР спектры со спиновым разрешением для73двух углов вылета фотоэлектронов, соответствующих kk =1.65 ÅФерми. При этом в спектре для kk =1.65 Å11и kk =1.75 Å1на уровневидно только ⇡ состояние, а при kk =1.75 Å1–только ⇡ ⇤ . Данный эффект связан с обращением в ноль матричного элемента перехода прифотоэмиссии из второй зоны Бриллюэна для ⇡ и из первой для ⇡ ⇤ зон.
[119] Это позволяетразделить спиновую структуру нижней и верхних частей Дираковского конуса.Ks+p~100 meVSOπ<10 meVK’π*K’KSOK-1k IIРисунок 3.12: (а) Спин-разрешенные ФЭСУР спектры снятые при kk =1.65 Åkk =1.75 Å1(справа) в направлении ¯1(слева) иK̄ при энергии фотонов 62 эВ для графена наPb/Pt(111). На вставке показана ФЭСУР дисперсионная зависимость вблизи точки K̄ сотмеченными углами вылета фотоэлектронов использовавшихся для спин-разрешенныхизмерений. (б) ФЭСУР спектры в направлении ¯K̄M̄ при энергии фотонов 40 эВграфена на Pb/Pt(111) полученные как сумма ФЭСУР данных для двух поляризаций (s иp) синхротронного излучения.
(в) Схематическая зонная структура графена в случае С.О.запрещенной зоны.Как видно из рисунка 3.12а (слева), для ⇡ состояния спиновое расщепление практическиотсутствует. Разложение на компоненты спин-разрешенных спектров позволяет заключитьчто расщепление составляет меньше 10 мэВ. Для ⇡ ⇤ состояния, рис. 3.12а (справа) наоборот,наблюдается большое расщепление по спину. Детальный анализ спин-разрешенных спектроввблизи уровня Ферми оказывается затруднительным вследствие небольшой интенсивности⇡ ⇤ зоны, однако грубая оценка расщепления дает величину 100 мэВ с погрешностью 50 мэВ.Таким образом, можно утверждать о небольшом спиновом расщеплении (<10 мэВ) нижнегоконуса Дирака и заметно большим расщеплении верхней части конуса ('100 мэВ).
Такая74спиновая структура соответствует случаю | I | > |BR |и возможности открытия С.О. запре-щенной зоны.В главе 1 были рассмотрены несколько случаев для разных положений атомов свинцаотносительно графенового листа. Было отмечено, что в зависимости от позиции адатома,“внутреннее” С.О. взаимодействие может усиливаться или даже менять знак. Поэтому, еслив Pb слое атомы занимают неэквивалентные положения относительно графеновой решетки(например при несоразмерных решетках) то “внутреннее” С.О. взаимодействие взаимно выp pчитается.
В случае ( 3 ⇥ 3)R30 графена на Pt(111) c интеркалированным слоем Pb атомысвинца занимают эквивалентные позиции относительно графеновой решетки как показанона рис. 3.10г. Более того, из рисунка видно что атомы свинца располагаются равноудаленноот А и B подрешеток, и в графене в этом случае не ожидается нарушение AB симметрии.Таким образом в системе графен/Pb/Pt(111) возможна реализация С.О. запрещенной зоныи соответственно топологической фазы графена.На рисунке 3.12б представлены ФЭСУР спектры снятые при температуре образца 17 Ки полученные как сумма спектров для двух поляризаций света. Легко видеть сформированную запрещенную зону между верхним и нижнимим частями конуса Дирака.
Используя величины спиновых расщеплений графеновых состояний, полученных при помощи спинразрешенных измерений, можно по формуле 1.12 рассчитать зонную структуру вблизи точкиK̄ . Данная структура показана на рис. 3.12б в трехмерном формате и со схематическим изображением зоны Бриллюэна и положением уровня Ферми.λI=150 мэВλRB=0 мэВ(б)λI=0 мэВλRB=150 мэВ(в)λI=-150 мэВλRB=150 мэВ(г)λI=-150 мэВλRB=50 мэВЭнергия, эВ(а)ÅÅÅÅРисунок 3.13: (а) Рассчитанная при помощи формулы из Главы 1 зонная структура графена для различных значенийсоответственно.IиBR .Красный и синий цвета соответствуют µ ± 1,75Исходя из полученных величин спиновых расщеплений можно оценить константы С.О.взаимодействияIиBR .На рис.
3.13 представлена рассчитанная при помощи формулы изГлавы 1 зонная структура графена вблизи точки K̄ при разных значенияхвидеть, что при | I | = 150 мэВ и |BR |IиBR .Легко=50 мэВ между верхним и нижним конусами от-крывается запрещенная зона, при этом расщепление верхнего конуса в точке K̄ достигает200 мэВ, а нижнего обращается в ноль. В работе [50] было показано что величинаIможетпринимать как отрицательные так и положительные значения, в зависимости от расположения атомов. Знак “внутреннего” С.О.
взаимодействия не влияет на величину запрещеннойзоны, но может влиять на расщепление состояний конуса Дирака. Так, при | I | > |отрицательном значенииIBR |испиновое расщепление оказывается большим для ⇡ ⇤ и малымдля ⇡ cостояний. Такая структура соответствует экспериментальным значениям и отвечаеттопологической фазе в графене.Таким образом, интеркаляция монослоя Pb атомов под графен под Pt(111) приводит ксдвигу конуса Дирака графена на 350 мэВ в сторону увеличения энергии связи. При этом вточке K̄ ЗБ графена между ⇡ и ⇡ ⇤ состояниями наблюдается запрещенная зона, шириной около 200 мэВ. Аанализ спин-разрешенных данных демонстрирует разную величину спиновогорасщепления ⇡ и ⇡ ⇤ состояний, что свидетельствует о повышенном внутреннем С.О. взаимодействии.
Более того, с учетом расположения Pb атомов относительно графеновой решетки иполученной спиновой текстуры можно утверждать о соответствии структуры Дираковскогоконуса модели Кэйна-Мила для графена в топологической фазе.Таким образом, для реализации модели Кэйна и Мила в графене необходимо соблюдение нескольких условий, среди которых отсутствие нарушения AB симметрии графеновыхподрешеток и преобладание “внутреннего” типа С.О.
взаимодействия над Рашба-типом. Длянепосредственных измерений электронной и спиновой структуры графена методом ФЭСУРнеобходимо также положение точки Дирака ниже уровня Ферми, то есть n допинг графена.В таблице 3.1 приведены основные параметры электронной и спиновой структуры графенана различных подложках, полученные в данной работе а также в работах [42, 45, 46]. Легковидеть, что среди изученных на данный момент систем контакт графена со свинцом являетсянаиболее подходящим для реализации топологической фазы.3.4Выводы к главе 3В данном разделе рассмотрены особенности электронной и спиновой структуры графенапри контакте с тяжелыми металлами.76СистемаEB точки Дирака, мэВ|BR |,Графен/Ir(111)-5025Графен/Pt/Ir(111)-20010Графен/Pt(111)-150Графен/Pb/Pt(111)мэВ| i |, мэВAB симметрия'0Сохраняется>0Сохраняется50>0Сохраняется20050150СохраняетсяГрафен/Au/Ni(111)-5050СохраняетсяГрафен/Bi/Ni(111)200<10'0?Не сохраняетсяТаблица 3.1: Параметры электронной и спиновой структуры графена на различных подложках1.
Предложены и отработаны методики CVD синтеза графена на Pt(111) с различнымикристаллографическими ориентациями и интеркаляции Pb и Pt атомов под графен наPt(111) и Ir(111). При помощи ДМЭ и РФЭС детально изучена кристаллическая структура графена и интеркалированных слоев Pb и Pt на подложках Pt и Ir, соответственно.2. Методом ФЭСУР показано, что несмотря на слабую связь графена с подложкой Pt(111)наблюдается гибридизация графеновых ⇡ c платиновыми 5d зонами непосредственновблизи уровня Ферми.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
