Диссертация (1150502), страница 17
Текст из файла (страница 17)
Из представленных спектроввидно, что 3 состояния Cu не являются спин-поляризованными, вследствие малого атомногономера Cu и малого спин-орбитального взаимодействия в Cu. Соответственно, гибридизация состояний графена с 3 Cu происходит без спин-зависимых эффектов и не приводит красщеплению по спину ветви состояний, как в области гибридизации с 3 состояниямиCu, так и в области конуса Дирака вблизи уровня Ферми.85Таким образом, показано, что при контакте с металлом, имеющим малый атомный номер,не наблюдается спин-орбитальное расщепление состояний в графене.
Этот результат согласуется с данными о спиновой структуре графена на Ni(111), т.к. для системы графен/Ni(111),где Ni имеет атомный номер Z=28, также не наблюдалось спин-орбитальных эффектов ирасщепления состояний вследствие малого атомного номера Ni, несмотря на эффектыгибридизации, существенно искажающие электронную структуру графена.Рисунок 4.5: (а) - Дисперсионные зависимости электронных состояний для системыграфен/Bi/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) - Конус Дирака состояний графена, измеренныйв направлении, перпендикулярном к ΓK ЗБ графена, при T=50∘ K.
(в) - Фотоэлектронныйспектр со спиновым разрешением, измеренный при значении полярного угла и соответствующем значении ‖ , отмеченного на (а) вертикальной стрелкой. Синим и краснымцветом обозначены спектры для противоположных проекций спина.Для того, чтобы доказать важность эффектов гибридизации состояний графена с состояниями подложки, были проведены исследования интеркаляции атомов Bi (атомный номерZ=83) под графен на Ni(111). Bi является металлом с большим атомным номером, но с типом валентной зоны без электронов.
На рисунке 4.1 (г) показан спектр нормальной эмиссиивалентной зоны после интеркаляции Bi под графен на Ni(111). Энергия связи состоянийподобна случаю интеркаляции Au и Cu. В то же время в спектре появляются состояния,обусловленные Bi, при энергии связи от 2.5 до 1.5 эВ и следы от Ni состояний на уровнеФерми.86На рисунке 4.5 (а) представлены дисперсионные зависимости состояний графена, интеркалированного атомами Bi, измеренные в направлении ΓK ЗБ графена. Наблюдается сдвиг зоны в сторону меньших энергий связи, что свидетельствует об ослаблении связи графенас подложкой Ni(111). На рисунке 4.5 (б) показана линейная зависимость дисперсии состояний в области точки K , формируемая конус Дирака электронных состояний.
Точка Диракаоказывается сдвинута в сторону больших энергий связи на 280 мэВ (по сравнению с конусомДирака для квазисвободного графена), т.е. наблюдается небольшое -допирование графена.А также открывается небольшая запрещенная зона в точке Дирака вследствие нарушенияА-В симметрии подрешеток графена и несоответствия кристаллических структур графена иинтеркалированного Bi.Важно отметить, что данные фотоэмиссии с угловым разрешением на рисунке 4.5 (а) непоказывают каких-либо модификаций зоны, обусловленных процессами гибридизации, какэто наблюдалось в случае интеркаляции Au или Cu. На рисунке 4.5 (б) представлен фотоэлектронный спектр со спиновым разрешением, измеренный вблизи уровня Ферми в областиточки K ЗБ графена. Очевидно, что видимого расщепления состояний не наблюдается. Этоозначает, что несмотря на большой атомный номер интеркалированного материала, контактграфена с Bi не приводит к появлению различимой в эксперименте индуцированной спиновойполяризации состояний.На основании проведенных исследований можно заключить, что для появления индуцированного подложкой спин-орбитального взаимодействия в графене необходимо наличиепроцессов гибридизации состояний графена со спин-поляризованными состояниями интеркалированного металла.Таким образом, показано, что только интеркаляция Au под графен/Ni(111) приводит каномально большому индуцированному спин-орбитальному расщеплению состояний графена и позволяет использовать данную систему или контакт графена с Au в спинтронике дляформирования спиновых токов.
Однако, данное применением может быть затруднено в силу того, что Au состояния локализованы значительно ниже уровня Ферми (при энергиисвязи больше 2.5 эВ). Это препятствует участию Au состояний в спиновом транспорте иинжекции спин-поляризованных токов.
В этом смысле тяжелые металлы с локализацией состояний вблизи уровня Ферми, такие как Ir, Re, Pt могут быть более перспективнымиметаллами, позволяющими решить проблему прохождения спин-поляризованных токов изграфена в соответствующее спиновое устройство. К сожалению, графен на Re(0001) характеризуется сильной связью с подложкой, вследствие чего разрушается конус Дирака электронных состояний графена [136], что не позволяет использовать его в спинтронике. Графен87на Ir(111) характеризуется линейной структурой Дираковского конуса состояний графенавблизи уровня Ферми. Более того, было показано, что в графене на Ir(111) наблюдаетсяспиновой расщепление состояний [137].
Однако, электронная структура Ir(111) характеризуется локальной запрещенной зоной в области точки K графена и эффекты гибридизации состояний графена с состояниями Ir происходят существенно ниже уровня Ферми, каки в случае интеркаляции Au под графен/Ni(111). Поэтому Ir(111) также не перспективноиспользовать в качестве подложки для графена с целью использования в спинтронике.4.2Электронная и спиновая структура графена на Pt(111)В последнее время появляется большой интерес к графену, синтезированному на монокристалле Pt(111). С одной стороны, платина - тяжелый металл, характеризующийсябольшим градиентом внутриатомного потенциала, что является необходимым условием дляиндуцированного спин-орбитального расщепления в графене при условии гибридизации состояний графена с Pt 5 состояниями (аналогично контакту с Au).
Более того, согласнолитературным данным [138], связь графена с Pt(111) подложкой слабая. Это означает, чтоконтакт графена с Pt не приводит к разрушению электронной структуры графена. С другойстороны, 5 состояния Pt в валентной зоне локализованы вблизи уровня Ферми, что позволяет реализовать эффективный спиновый транспорт между графеном и Pt. А также Ptчасто используется для эффективного преобразования спиновых токов в индуцированнуюнамагниченность ферромагнитных слоев вследствие спин-торк эффекта [138, 139]. Поэтому в данной работе проведены исследования электронной и спиновой структуры графена,синтезированного на Pt(111).Атомарно чистая поверхность Pt(111) была подготовлена проведением нескольких цикловтравления ионами Ar и прогрева до температуры 1300∘ K.
Чистота поверхности оцениваласьпо картинам ДМЭ и РФЭС спектрам. Графен был синтезирован на поверхности Pt(111) CVDметодом в течение 60 минут при давлении пропилена 1 × 10−7 мбар и температуре образца1200∘ K. Синтезированный графен имеет гексагональную кристаллическую структуру, повернутую на 30∘ по отношению к гексагональной кристаллической структуре Pt(111) [140].Таким образом, направление ΓK в ЗБ графена соответствует направлению ΓM в пЗБ Pt(111).На рисунке 4.6 (а) представлены дисперсионные зависимости графен/Pt(111), измеренные в направлении ΓK ЗБ графена.
В точке Γ состояния имеют энергию связи 8.2 эВ, чтоподобно случаю интеркаляции благородных металлов под графен/Ni(111) и соответствуетслабой связи графена с нижележащей подложкой. В области точки K ЗБ графена состоя-88ния имеют линейную зависимость, которая также детально представлена на рисунке 4.6 (б),где дисперсионные зависимости измерены в направлении, перпендикулярном ΓK (в условновведенной системе координат в плоскости поверхности ( , ) направление ΓK соответствует оси , а перпендикулярное ему направление - ). Наблюдается небольшое -допированиеграфена и точка Дирака сдвинута в область незанятых состояний на ∼ 150 мэВ.
При этом надисперсионных зависимостях в ΓK направлении в ЗБ графена, рис. 4.6 (а), в области уровняФерми и до 3 эВ энергии связи локализованы 5 состояния Pt, дисперсионные ветви которыхобозначены как , , . В области пересечения состояний с 5 состояниями Pt, наблюдаются разрывы дисперсионных ветвей состояний, обусловленные спин-зависимыми эффектами“непересечения” состояний с одинаковой проекцией спина. Теоретические расчеты электронной структуры и спиновой поляризации в графене на Pt(111), проведенные в рамках теориифункционала плотности методом присоединенных плоских волн (спин-орбитальное взаимодействие описывалось с использованием вариационного метода), представленные на рисунке4.6 (г), показывают существенную спин-зависимую гибридизацию состояний с состояниями Pt в направлении ΓK ЗБ графена в области точки K . Аналогичные спин-зависимыеразрывы дисперсионных зависимостей вследствие гибридизации состояний, показаны и нарисунке 4.6 (г), где показаны расчеты дисперсионных зависимостей состояний в направлении, перпендикулярном ΓK , как и экспериментальные дисперсии на рисунке 4.6 (б).
Приэтом, фотоэлектронные спектры со спиновым разрешением (рисунок 4.6 (в)), измеренныев области точки K при указанных значениях ‖ относительно ‖ =0 на рисунке 4.6 (б),показывают расщепление состояний по спину с величиной расщепления порядка 100 мэВ.Однако, учитывая вклад состояний Pt на уровне Ферми и проводя разложение измеренныхфотоэлектронных спектров для двух противоположных проекций спина, мы можем показать,что индуцированное спин-орбитальное расщепление состояний составляет ∼ 80 мэВ.
Приэтом спиновая поляризация состояний инверсна (антисимметрична) относительно ‖ =0(см. спин-разрешенные спектры при ‖ =0.0035 Å−1 и ‖ =-0.0035 Å−1 ).Таким образом показано, что контакт графена с Pt(111) с большим атомным номером Zприводит к индуцированному подложкой спин-орбитальному расщеплению состояний благодаря эффектам гибридизации состояний графена со спин-поляризованными состояниямиPt.4.3Выводы к главе 4На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:89Рисунок 4.6: (а) - Дисперсионные зависимости электронных состояний системы графен/Pt(111), измеренные в направлении ΓK ЗБ графена.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
