Диссертация (1150502), страница 16
Текст из файла (страница 16)
Для лучшей визуализации дисперсионные зависимости представленыв виде второй производной по энергии 2 /()2 . Энергия фотонов 62 эВ, измеренияпроводились при комнатной температуре. (в) - Схематичная диаграмма формирования иотносительная локализация по энергии связывающих и разрыхляющих ( −) состоянийпри взаимодействии графена с Ni (слева) и Au (справа). (г) - Фотоэлектронные спектры,измеренные по нормали к поверхности с угловым разрешением 0.5∘ для чистого графенана Ni(111) (нижний красный спектр) и после интеркаляции различных металлов - Au(синий спектр), Cu (зеленый спектр), Bi (черный спектр).
Энергия фотонов 62 эВ.80рыхляющих состояний. В случае графен/Ni(111) (рис. 4.1 (в) справа), только связывающиегибридизованные состояния оказываются заполнены, а разрыхляющие состояния локализованы выше уровня Ферми и остаются незанятыми. Поэтому ковалентная связь графена сподложкой очень сильная, что и приводит к нарушению линейной зависимости дисперсии состояний в области уровня Ферми (см. рисунок 4.1 (а)). При этом в случае интеркаляцииAu, гибридизация состояний графена с состояниями Au происходит при больших энергиях связи (в отличие от состояний Ni, локализованных вблизи уровня Ферми), см.
рисунок 4.1 (в) слева, поэтому формирующиеся гибридизованные связывающие и разрыхляющиесостояния оказываются практически одинаково заполнены. В результате, результирующаясвязь графена с Au существенно ослабляется вследствие компенсации вкладов от связывающих и разрыхляющих состояний. И, соответственно, дисперсия состояний в области точкиK имеет линейный характер, характерный для слабой связи графена с подложкой. Отметим,что данная модель формирования ковалентной связи графена с подложкой применима и кдальнейшему рассмотрению интеркаляции атомов Cu под графен.При этом были проведены детальные исследования спиновой структуры системы графен/Au/Ni(111) методом фотоэлектронной спектроскопии с угловым и спиновым разрешением (рисунок 4.2 (д)) и соответствующие фотоэлектронные спектры со спиновым разрешением, измеренные при значениях ‖ или при значениях полярного угла относительнонормали поверхности, обозначенных на рисунке 4.1 (б) вертикальными стрелками.
Спектрыс противоположными проекциями спина на выделенную ось обозначены красным и синимцветом. Показано расщепление состояний по спину вследствие взаимодействия со спинполяризованными Au 5 состояниями. Собственное спиновое расщепление Au 5 состоянийотчетливо видно при полярных углах 23-25∘ и 5-10∘ относительно нормали поверхности (чтосоответствует значениям ‖ =1.5-1.7 и 0.3-0.6 Å−1 ), где состояния Au энергетически отделены от состояний графена и не пересекают их.
Модификация дисперсионных зависимостей состояний в области пересечения с состояниями Au (рис. 4.2 (а)) может быть описана спин-зависимым эффектом “непересечения” электронных состояний [21], изображеннымсхематично на рисунке 4.2 (б). Вследствие большого спин-орбитального взаимодействия наатомах золота (с большим атомным номером Z) и спиновой поляризации состояний Au,наблюдаются спин-зависимые эффекты гибридизации состояний графена с состояниямиAu, которые приводят к разрывам дисперсий состояний.
Для подтверждения спиновойполяризации состояний Au в системе Au/Ni без графена, были проведены исследованияэлектронной и спиновой структуры монослоя Au/Ni(111) без графена. Графен был удален споверхности образца прогревом при температуре 800-850∘ K. На рисунке 4.3 (а) представле-81ны спин-интегрированные дисперсионные зависимости электронных состояний для чистогомонослоя Au/Ni(111) и на рисунке 4.3 (б) - фотоэлектронные спектры со спиновым разрешением, измеренные при полярных углах относительно нормали поверхности, отмеченных нарис. (а) вертикальными стрелками.Рисунок 4.2: (а) - Увеличенная область дисперсионных зависимостей в направлении ΓKдля графен/Au/Ni(111) в области пересечения с состояниями Au (измерены при комнатной температуре и представлены в виде второй производной по энергии 2 /()2 .Энергия фотонов 62 эВ.) и (в) - в области конуса Дирака в точке K ЗБ графена (измерено при T=40∘ K в направлении, перпендикулярном к ΓK .
Энергия фотонов 62 эВ). (б), (г)- Соответствующие схематичные представления формирования спиновой структурыдисперсионных зависимостей в этих областях. (д) - Серия фотоэлектронных спектров,измеренных при значениях полярного угла и соответствующих значениях ‖ , отмеченных на рис. 4.1 (б) вертикальными стрелками. Синим и красным цветом обозначеныспектры для противоположных проекций спина.На представленных рисунках отчетливо видно, что спиновая структура состояний Auв системе Au/Ni(111) без графена подобно той, что наблюдалась для Au/Ni(111) с графеномсверху. С другой стороны, дисперсионные зависимости зоны отличаются от наблюдае-82мой электронной структуры для монокристалла Au(111) [71].
Это можно объяснить тем, чтомонослой Au на поверхности Ni(111) формирует структуру (9 × 9) вследствие рассогласования ∼ 16% решеток Au и Ni (постоянная решетки Au - 2.88 Å, Ni - 2.49 Å [130, 131]).Фотоэлектронные спектры со спиновым разрешением для данной системы показывают явную спиновую поляризацию Au состояний в области энергий связи ∼ 3.5-4.5 эВ. Энергии этих расщепленных по спину состояний близки к энергиям состояний для системы сграфеном.
Таким образом, можно заключить, что взаимодействие состояний графена соспин-поляризованными состояниями Au приводит к существенному спиновому расщеплениюгибридизованных (−) состояний (см. рисунок 4.2 (д) спектры при полярных углах эмиссии10-18.5∘ ).Рисунок 4.3: (а) - Дисперсионные зависимости электронных состояний для Au/Ni(111)после удаления графена, измеренные в направлении ЗБ, соответствующем направлению ΓK графена. Для лучшей визуализации дисперсионные зависимости представленыв виде второй производной по энергии 2 /()2 . Энергия фотонов 62 эВ.
(б) - Фотоэлектронные спектры со спиновым разрешением, измеренные при значениях полярногоугла и соответствующих значениях ‖ , отмеченных на (а) вертикальными стрелками.Синим и красным цветом обозначены спектры для противоположных проекций спина.Вследствие гибридизации состояний графена со спин-поляризованными состояниями Au,тяжелого элемента с большим атомным номером Z, в области линейной зависимости дисперсии состояний вблизи уровня Ферми также наблюдается аномально-большое спиновое83расщепление состояний, величина которого достигает 100 мэВ, и показано на рисунке 4.2(д) при полярных углах 20.5-25∘ .
Аномально-большим его справедливо назвать, т.к. внутреннее спин-орбитальное расщепление состояний в графене очень мало (< 0.1 эВ [5]).Данное расщепление ∼ 100 мэВ обусловлено спин-орбитальным взаимодействием и описывается моделью Рашбы-Бычкова для графена (рис. 4.2 (г)).Подробные теоретические расчеты электронной и спиновой структуры для данной системы графен/Au/Ni(111) и теоретические оценки величины спин-орбитального расщепления состояний были проведены в работах [132,133]. Теоретические результаты совпадают с экспериментальными и подтверждают аномально-большое спин-орбитальное расщепление Рашбы состояний графена в области конуса Дирака. Кроме того, теоретические работы сообщаютоб аномально-большом расщеплении Рашбы в графене даже при адсорбции атомов Au сверхуграфена [134].Рисунок 4.4: (а) - Дисперсионные зависимости электронных состояний для системыграфен/Cu/Ni(111), измеренные в направлении ΓK ЗБ графена.
Для лучшей визуализации дисперсионные зависимости представлены в виде второй производной по энергии2 /()2 . Энергия фотонов 62 эВ. (б) - Увеличенная область пересечения состоянийграфена с состояниями Cu. (в) - Конус Дирака состояний графена, измеренный внаправлении, перпендикулярном к ΓK ЗБ графена, при T=40∘ K. (г) - Фотоэлектронныеспектры со спиновым разрешением, измеренные при значениях полярного угла и соответствующих значениях ‖ , отмеченных на (а) вертикальными стрелками. Синим икрасным цветом обозначены спектры для противоположных проекций спина.84Для подтверждения роли подложки и ее атомного номера в появлении индуцированногоспин-орбитального расщепления в графене, были проведены аналогичные исследования поинтеркаляции атомов Cu (Z=29) под графен, синтезированный на Ni(111).
Cu более легкийметалл, чем Au, но они имеют схожую электронную конфигурацию. На рисунке 4.4 (а)представлены дисперсионные зависимости электронных состояний для графен/Cu/Ni(111).На рисунке (б), (в) представлены в увеличенном масштабе области, отмеченные на рисунке(а) сплошными контурами: конус Дирака с линейно зависимостью состояний и областьгибридизации состояний графена с состояниями Cu. Дисперсионные зависимости для графен/Cu/Ni(111) выглядят похожими на дисперсии для графена с интеркалированным Au.Также наблюдается сдвиг зоны на 1-1.5 эВ в сторону уровня Ферми по сравнению с дисперсионными зависимостями для графен/Ni(111).
В спектре нормальной эмиссии (рисунок4.1 (г) третий или зеленый спектр) состояния локализованы при ∼ 8.75 эВ энергии связи,что существенно меньше, чем в случае графена на Ni(111). состояния имеют линейнуюзависимость в области точки K , что свидетельствует о блокировке сильной связи графенас Ni подложкой (рис. 4.4 (в)). Но по сравнению с Au, точка Дирака после интеркаляции Cuнаходится ниже уровня Ферми и наблюдается небольшое -допирование графена.
Вершинанижнего конуса состояний расположена при ∼ 0.4 эВ энергии связи [62, 64]. Точка Дирака локализована в центре запрещенной зоны при энергии ∼ 0.3 эВ ниже уровня Ферми.При этом формируемая в точке K запрещенная зона в точке Дирака обусловлена нарушением симметрии между подрешетками графена и структурной деформацией решетки графена(нарушение А-В симметрии) вследствие наличия данной подложки [135].На рисунке 4.4 (б) показана более детально область пересечения состояний графенас 3 состояниями Cu, локализованными при энергии 2-4.5 эВ.
В области пересечения этихсостояний наблюдаются разрывы дисперсионных зависимостей вследствие гибридизации состояний графена с 3 состояниями Cu, аналогично случаю интеркаляции Au. Возникаетвопрос, как гибридизация электронных состояний графена и Cu будет влиять на спиновуюструктуру графена? Для этого рассмотрим фотоэлектронные спектры со спиновым разрешением, показанные на рисунке 4.4 (г), измеренные при полярных углах вылета фотоэлектронов, отмеченных на рисунке (а) вертикальными стрелками.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
