Диссертация (1150502), страница 12
Текст из файла (страница 12)
Данная теория была применена к анализу спиновой структуры поверхностных резонансов W(110) и их модификации при напылении тонких слоев Al [121].Таким образом, можно выделить два аспекта эффекта Рашбы-Бычкова: 1. Энергетическоерасщепление дискретных состояний (поверхностных состояний или КЭС), сопровождаемоеспиновой поляризацией, 2. Спиновая поляризация непрерывного спектра или поверхностныхрезонансов. Возникает вопрос, каким образом будут описываться КЭС в тонких пленках металлов. В случае КЭС ожидается комбинация обоих моделей описания спиновой структуры,т.к. с одной стороны, они представляют собой дискретные состояний, а с другой стороны,эти состояния в могут рассматриваться как предшественники объемной зоны электронныхсостояний.
При этом необходимо учитывать и влияние электронной и спиновой структурыподложки, в том числе и ее атомный номер.Поэтому целью данных исследований было сравнительное изучение спиновой структуры КЭС и характера в пленках Au, толщиной 3 монослоя, на поверхности W(110) иMo(110).
Две подложки имеют очень схожую геометрию и электронную структуру, однако,существенно разные атомные номера, что дает возможность выявить вклад от подложкив спиновую структуру КЭС и изучить отличие между делокализованными и локализованными 5 состояниями. Толщина пленки в 3 монослоя прекрасно подходит для нашихцелей, т.к.
пленка достаточно тонкая для наблюдения влияния подложки на электроннуюструктуру и в тоже время достаточно толстая для того, чтобы КЭС и характера были энергетически разделены. Поведение данных состояний на дисперсионных зависимостяхсильно отличается: состояния быстро диспергируют с изменением ‖ , а зоны практическине диспергируют. Поэтому данная толщина пленки Au хорошо подходит для эффективногоанализа поверхностной спиновой структуры.Атомарно чистые поверхности W(110) и Mo(110) были подготовлены стандартной процедурой, включающей их предварительное окисление при давлении 5×10−8 торр и температуре1200∘ C и последующий кратковременный прогрев при температуре 1800 − 2000∘ C при давлении не хуже, чем 5 − 7 × 10−10 [21, 118].
Напыление золота производилось при комнатнойтемпературе термическим испарением из капли металла, наплавленной на W-Re проволоку,которая нагревалась прямым пропусканием тока. Толщина напыленных слоев золота оценивалась по энергетическому положению и интенсивности КЭС, формирующихся в пленке.60Когда интенсивность КЭС, соответствующих трем монослоям, достигала максимального значения, напыление останавливалось. [122].Рисунок 3.2: (а) - Дисперсия и КЭС, измеренная методом фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением в направлении Γ̄H̄ поверхностной зоны Бриллюэна(пЗБ) для 3 МС Au/W(110). Для лучшей визуализации дисперсионные зависимости представлены в виде второй производной по энергии 2 /()2 . Энергия фотонов - 62 эВ(б)- Фотоэлектронные спектры со спиновым разрешением в диапазоне энергий от 0-3 эВ(область КЭС) и (в) - от 0-7 эВ (область КЭС), измеренные при значениях ‖ ,отмеченные на (а) вертикальными белыми линиями.
Спектры для противоположныхнаправлений спина показаны красным и синим цветом.На рисунке 3.2 (a) и 3.3 (а) представлены дисперсионные зависимости валентных состояний, измеренные вдоль направления Γ̄H̄ пЗБ, для 3 МС Au/W(110) и 3 МС Au/Mo(110),соответственно. КЭС 5 характера локализованы от 2.5 эВ и ниже по шкале энергии связи.Быстро диспергирующие КЭС наблюдаются в области энергий связи от 2.5 эВ до уровняФерми.
Отметим, что спроецированная на поверхность объемная зонная структура W(110)и Mo(110) (вдоль направления ΓN объемной зоны Бриллюэна) имеет запрещенную зону от6.3 (5.3 для Mo(110)) эВ до 3.3 эВ [122], что сильно уменьшает взаимодействие состоянийс состояниями подложки в области точки Γ . В то же время состояния могут взаимодействовать с валентными состояниями обоих подложек. Это взаимодействие проявляется ввиде небольших изгибов параболических зависимостей выше 2.5 эВ на границе зоны подложки (отмечено красными пунктирными линиями на рисунках 3.2 (a) и 3.3 (а)) вследствиеэффектов “непересечения” при взаимодействии Au КЭС с W 6 или Mo 5 состояниями.61Согласно дисперсионным зависимостям на рисунках 3.2 (a) и 3.3 (а), можно отметить, чтоповедение и электронная структура и КЭС практически одинаковы для обоих подложек.На рисунках 3.2 (б) и 3.3 (б) показаны фотоэлектронные спектры со спиновым разрешением для Au на W(110) и Mo(110), измеренные при значениях ‖ , отмеченных на дисперсионных зависимостях на рис.
3.2 (a) и 3.3 стрелками и белыми вертикальными линиями. Нарисунке 3.2 (б) отчетливо видно расщепление по спину КЭС для Au/W(110) с величиной расщепления ∼ 0.15-0.25 эВ (отмечено зелеными кружками). Для Au/Mo(110) величинарасщепления состояний значительно меньше, см. рис. 3.3 (б), что определяется влияниемспин-орбитального взаимодействия в подложке: для тяжелого элемента вольфрама оно существенно больше, чем для молибдена.Рисунок 3.3: (а) - Дисперсия и КЭС, измеренная методом фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением в направлении Γ̄H̄ пЗБ для 3 МС Au/Mo(110).
Длялучшей визуализации дисперсионные зависимости представлены в виде второй производной по энергии 2 /()2 . Энергия фотонов - 62 эВ(б) - Фотоэлектронные спектрысо спиновым разрешением в диапазоне энергий от 0-3 эВ (область КЭС) и (в) - от 0-7эВ (область КЭС), измеренные при значениях ‖ , отмеченные на (а) вертикальнымибелыми линиями. Спектры для противоположных направлений спина показаны красными синим цветом.Энергетический диапазон Au 5 КЭС представлен на рисунках 3.2 (в) и 3.3 (в). Для состояний золота на обоих подложках мы наблюдаем спиновую структуру, сильно отличающуюся от модели Рашбы-Бычкова для двумерного газа. Вместо расщепленных дисперсионныхветвей мы наблюдаем явную поляризацию зоны со сложным характером.
Близкое сходство62спин-разрешенных спектров КЭС в Au/W(110) и в Au/Mo(110), измеренных при ‖ = 0 и‖ =0.77 и 0.75 Å−1 свидетельствует о слабом взаимодействии КЭС типа с подложкой.При этом в энергетической области около 2.5 эВ, где происходит пересечение двух типовКЭС и типа, наблюдается гибридизация этих состояний и параболические дисперсионные зависимости начинают проявлять спиновую поляризацию, характерную для КЭС характера (см. область от 2-2.5 эВ на рисунке 3.2 (б) и 3.3 (б)).Известно, что вследствие симметрии обращения времени, спиновая поляризация начальных состояний антисимметрична относительно ‖ = 0.
Однако, процесс фотоэмиссии нарушает симметрию и, как это было ранее описано в работах [115, 120, 121], приводит котклонению от строго антисимметричной картины поляризации и, в том числе наблюдаетсяспиновая поляризация в спектре, измеренном при ‖ = 0, как видно на рисунках 3.2 (в) и3.3 (в).Для подтверждения экспериментально наблюдаемой спиновой структуры КЭС в Au/W иAu/Mo, рассмотрим теоретические расчеты, проведенные из первых принципов (ab initio) методом самосогласованного (в приближении локальной плотности (LDA)) полного потенциалалинеаризованных присоединенных плоских волн. Расчеты проведены проф. Е.Е. Красовскимв рамках совместных исследований (Университет Страны Басков, Испания). Теоретическийанализ измеренных фотоэлектронных спектров производился в терминах спиновой поляризации плотности электронных состояний ‖ = ↑‖ − ↓‖ , рассчитанной на атомах золота(рисунок 3.4 (a), (б), (д), (е)) и ее распределения по глубине от поверхности (рисунок 3.4(в), (г), (ж), (з)), детали теоретического анализа см.
в [115].На рисунке 3.4 (а), (д) показана теоретически рассчитанная электронная структура сразрешением по спину для Au/W и Au/Mo, соответственно. В энергетической области от2.5 эВ и до уровня Ферми мы можем различить дисперсионные зависимости электронныхсостояний, расщепленные по спину. Эта область КЭС для ‖ от 0 до 1.2 Å−1 более детально показана на вставке 3.4 (б), (е). Делокализованные состояния оказываются сильнееполяризованы в случае Au/W(110), чем Au/Mo(110). Особенности, показывающие отличияв спиновой структуре КЭС, отмечены символами и .
Для понимания природы экспериментально наблюдаемой спиновой структуры КЭС, на рисунках 3.4 (г), (з) показанрасчет распределения спин-разрешенной плотности электронных состояний по глубине отповерхности. Для начала рассмотрим особенности, обозначенные символом и локализованные при энергии связи ∼ 1 эВ для обоих подложек. Пространственное распределение этихсостояний аналогично для W и Mo: они локализованы в области, включающей последнийатомный слой подложки и слой Au. И несмотря на то что они формируются в локальной63Рисунок 3.4: Теоретические расчеты спиновой поляризации плотности электронных состояний для (а) - 3 МС Au/W(110) и (д) - 3 МС Au/Mo(110).
(б) и (е) - показывают болеедетально область от 0-2 эВ на рисунках (а),(д), соответственно. (в), (ж) - пространственное распределение спиновой поляризации плотности электронных состояний для КЭС в Au/W(110) и Au/Mo(110), соответственно. (г), (з) - пространственное распределение спиновой поляризации плотности электронных состояний для КЭС в Au/W(110)и Au/Mo(110), соответственно. Расчеты проведены проф.
Е.Е. Красовским в рамках совместных исследований, Университет Страны Басков, Испания64запрещенной зоне подложки, они сильно взаимодействуют с подложкой, что проявляется вих энергетическом расщеплении, которое вдвое больше в случае W, чем для Mo. Очевидно,данное расщепление является результатом сильного спин-орбитального взаимодействия наатомах вольфрама. Отметим также, что не только величина расщепления, но и интенсивность спиновой поляризации в случае W много больше (см. также рисунки 3.4 (г), (з)).Особенность , локализованная при энергии 0.5 эВ также имеет резонансный характер,но, согласно рисункам 3.4 (г), (з), является сильнее делокализованной, чем особенность .Следовательно, эффект спин-орбитального взаимодействия в подложке проявляется болеесильно: не только поляризация этих состояний увеличивается в случае Au/W(110), но дажеостается только ветвь с одним направлением спина, тогда как вторая сливается с объемными состояниями вследствие сильного спин-орбитального взаимодействия.
В то же время,в случае Au/Mo(110) особенность имеет обе ветви с противоположными направлениямиспина. Особенность не видна в спин-разрешенных спектрах, вероятно вследствие того, чтоона скрыта под пленкой Au, однако ее можно отследить в электронной структуре на рисунке3.2 (a) и 3.3 (а).При этом для зоны КЭС на рисунке 3.4 (а), (д) трудно обнаружить пары спинразрешенных дисперсионных зависимостей, спиновая поляризация этих состояний носитсложный характер. Однако, спиновая структура состояний для обоих систем практическиидентична.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
