Диссертация (1150477), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Для достижения поставленнойцели были решены следующие задачи:1. Изучено влияние индуцированного спин-орбитального взаимодействия на конус Диракав графене при контакте с металлами Pt, Ir, Pb.2. Определены условия для создания топологической фазы в графене.3. Проанализирована поверхностная зонная структура и спиновая поляризация состоянийв соединениях Bi2 Te2.4 Se0.6 , PbBi2 Te2 Se2 и PbBi4 Te4 Se3 , являющихся топологическимиизоляторами.4. Исследованы условия формирования бислоя висмута, являющегося двумерным топологическим изолятором, на поверхности системы Bi2 Te2.4 Se0.6 при температурном отжиге.Научная новизнаРабота содержит большое количество новых экспериментальных и методических результатов.
Ниже перечислены наиболее значимые результаты:1. Графен, сформированный на поверхности Pt(111), обладает линейной дисперсией вблизи уровня Ферми и точкой Дирака при 150 мэВ выше уровня Ферми. Спин-зависимыеэффекты гибридизации состояний графена и платины наблюдаются в области энергийсвязи 0–2 эВ, что приводит к снятию вырождения состояний конуса Дирака в графене.2. Спиновое расщепление ⇡ состояний графена на Pt(111) зависит от направления в зонеБриллюэна и достигает 200 мэВ.
При этом спиновая структура конуса Дирака не можетбыть описана в рамках Рашба модели, и является следствием “эффектов непересечения”d состояний Pt и ⇡ состояний графена непосредственно в области точки Дирака.73. Интеркаляция монослоя атомов Pt под графен на Ir(111) приводит к сдвигу точкиДирака до 150 мэВ выше уровня Ферми. При этом расщепление состояний графенатипа Рашба уменьшается до 20 мэВ и увеличивается влияние “эффектов непересечения”вблизи уровня Ферми.4. Интеркаляция монослоя атомов Pb под графен на Pt(111) приводит к сдвигу точкиДирака на 350 мэВ в сторону увеличения энергии связи, тем самым меняя тип проводимости с p-типа на n-тип.
Электронная структура графена при этом характеризуется запрещенной зоной шириной около 200 мэВ между ⇡ и ⇡ ⇤ состояниями. Спиноваятекстура состояний графена вблизи запрещенной зоны может быть описана модельюКэйна-Мила для графена с повышенным “внутренним” спин-орбитальным взаимодействием.5.
Соединения Bi2 Te2.4 Se0.6 , PbBi2 Te2 Se2 и PbBi4 Te4 Se3 являются трехмерными топологическими изоляторами. Электронная структура характеризуется конусом Дирака, образованным поверхностными топологическими состояниями. Спиновая поляризация конуса Дирака оказывается геликоидальной, а положение точки Дирака управляется составом соединения.6. Поверхностные слои трехмерного топологического изолятора Bi2 Te2.4 Se0.6 перестраиваются при прогреве образца до 400 C. Вследствие испарения атомов Te и Se на поверхности образуются островки Bi2 , являющимся двумерным топологическим изолятором.Исследованы изменения в электронной и спиновой структуре в результате перестройкиповерхности.Научная и практическая значимость Знание особенностей электронных и спиновыхсвойств нового класса материалов – графена и топологических изоляторов – необходимо длярешения ряда фундаментальных и прикладных задач, в том числе создания устройств спинтроники и квантовых компьютеров на их основе.
В работе изучаются контакты графена сразличными металлами и определяются механизмы модификации конуса Дирака, необходимые для применения графена в современной наноэлектронике. Полученные результаты демонстрируют спин-орбитальное расщепление состояний и создание запрещенной зоны, необходимые для генерации спин-поляризованных токов в графене, а также являющиеся основойдля кубитов в квантовых вычислениях.
Кроме того, в работе исследуется ряд соединений,являющихся двух- и трехмерными топологическими изоляторами, и выявляются основныефакторы, ответственные за эффективность их применения. Анализ результатов показывает8возможность управления уникальной структурой Дираковского конуса в трехмерных топологических изоляторах с различным составом, что является необходимым условием созданияустройств на их основе.
Изучение контактов двух- и трехмерных топологических изоляторов позволяет использовать 1D топологические состояния в качестве каналов для спиновоготранспорта и передачи информации без потерь на рассеяние.Научные положения, выносимые на защиту:1. Обнаружена спиновая поляризация состояний конуса Дирака в графене сформированном на поверхности монокристалла Pt(111). Спиновая структура графена на Pt(111)не может быть описана в рамках Рашба модели и определяется спин-зависимой гибридизацией состояний графена и 5d состояний платины.2.
Интеркаляция монослоя атомов Pt под графен на Ir(111) приводит к модификацииспиновой структуры Дираковского конуса. Выявлено уменьшение расщепления типаРашба и увеличение спин-зависимых эффектов гибридизации между состояниями подложки и графена.3. Показано формирование запрещенной зоны в электронной структуре графена при интеркаляции монослоя атомов Pb под графен на Pt(111). Обнаружено, что спиноваяструктура состояний конуса Дирака соответствует модели Кэйна-Мила для графена втопологической фазе.4.
В электронной структуре соединений Bi2 Te2.4 Se0.6 , PbBi2 Te2 Se2 и PbBi4 Te4 Se3 выявленоналичие Дираковского конуса и его геликоидальная спиновая поляризация. Материалыявляются топологическими изоляторами и характеризуются большой шириной объемной запрещенной зоны и варьируемым положением точки Дирака, что необходимо дляприменения в спиновых устройствах.5. Прогрев топологического изолятора Bi2 Te2.4 Se0.6 до 400 C приводит к формированиюостровков Bi2 на поверхности образца. Обнаружено появление дырочных состоянийBi2 в электронной структуре, а также их спиновая поляризация. Показаны эффектыгибридизации состояний Bi2 и Bi2 Te2.4 Se0.6Апробация работы. Основные результаты работы были представлены и обсуждалисьна следующих российских и международных конференциях: Международная студенческаяконференция “Science and Progress 2012, 2013, 2014, 2015, 2016” (г.
Санкт-Петербург, 20122016), XVII Международный симпозиум “Нанофизика и наноэлектроника” (г. Нижний Нов-9город, 2013), Международный симпозиум “Trends in MAGnetism” (EASTMAG-2103) (г. Владивосток, 2013), 3-я международная школа по физике поверхности “Технологии и измерения атомного масштаба” (SSS-TMAS III) (г. Сочи, 2013), 5th Joint BER II and BESSY IIUser Meeting (г. Берлин, 2013), Moscow International Symposium on Magnetism (MISM 2014)(г. Москва, 2014), New Trends in Topological Insulators (NTTI 2014) (г. Берлин, 2014), 12ая Международная конференция �Advanced Carbon Nanostructures� (ACNS’2015) (г.
СанктПетербург, 2015), New Trends in Topological Insulators (NTTI 2015) (г. Сан-Себастьян, 2015),New Trends in Topological Insulators (NTTI 2016) (г. Вюрцбург, 2016), 3rd European Workshopon Graphene and 2D Materials (EWEG-2D 2016) (г. Кельн, 2016).Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 5 статьях в рецензируемых журналах [1–5], индексируемых в базах данных РИНЦ, Web of Science и Scopus.Личный вклад автора. Все результаты, представленные в работе, получены соискателем лично, либо в соавторстве при его непосредственном участии.Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, литературногообзора, трех глав и заключения.
Полный объем диссертации составляет 113 страниц, включая45 рисунков и 2 таблицы. Список литературы содержит 131 ссылку.Глава 1Обзор литературы1.1Спин-орбитальное взаимодействие в низкоразмерныхсистемахУникальные свойства топологических изоляторов и графена в основном определяютсяособой электронной структурой этих материалов, а именно Дираковским конусом электронных состояний. Причиной возникновения конуса Дирака в топологических изоляторах является повышенное спин-орбитальное взаимодействие. В графене же Дираковский конусвозникает вследствие особенной химической связи, при этом увеличение спин-орбитальноговзаимодействия нарушает линейный характер дисперсии электронных состояний. В данномпараграфе мы рассмотрим как влияет спин-орбитальное взаимодействие на электронную испиновую структуру твердых тел.Спин-орбитальное (С.О.) взаимодействие – это релятивистский эффект, представляющийсобой взаимодействие собственного момента (спина) частицы с ее орбитальным моментом.Данный эффект наблюдается для различных частиц, в частности протонов и нейтроноввнутри ядра, однако, интересующий нас случай это С.О.
взаимодействие электрона в твердомтеле. В атоме наиболее корректное решение задачи о движении электрона в поле центральнойсилы возникает при помощи уравнения Дирака - релятивистского волнового уравнения. Приэтом в получаемом решении автоматически учитывается наличие спина и его взаимодействиес орбитальным моментом. Уравнение Дирака имеет вид:(c↵ˆ · P̂ + ˆmc2 + V̂ ) | i = E | i ,(1.1)здесь ↵ˆ i и ˆ - линейные операторы 4⇥4, так называемые альфа-матрицы Дирака, P̂ оператор импульса. В случае водородоподобного атома V̂ =10e2.rПосле некоторых преоб-11разований можно показать, что Гамильтониан системы состоит из Гамильтониана для нерелятивистского уравнения Шредингера, релятивистской поправки к кинетической энергии ичлена, описывающего С.О.
взаимодействие:Hs.o. =e2Ŝ · L̂,2m2 c2 r3(1.2)где Ŝ и L̂ - операторы спина и орбитального момента, соответственно. Аналогичныйрезультат можно получить, рассматривая классическое приближение движения электрона вполе ядра. Данное рассмотрение позволяет наглядно проиллюстрировать процесс взаимодействия спина и орбитального момента - вращение электрона вокруг ядра создает эффективноемагнитное поле, которое ориентирует спин электрона(рис.
1.1a). В общем случае дополнительный член в Гамильтониане, отвечающий за С.О. взаимодействие выглядит следующимобразом:Hs.o. =~~ ⇥p~ · (5V~),4m2 c2(1.3)~ - градиент потенциала.где 5VВ атоме С.О. взаимодействие приводит к дополнительному расщеплению спектральныхтермов - так называемая тонкая структура(рис. 1.1б). С.О. расщепление внутренних уровнейнаблюдается для p,d и f электронов (так как в этих случаях l > 0), величина расщеплениядля водородоподобных атомов пропорциональна Z 4 .
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
