Диссертация (1150502), страница 18
Текст из файла (страница 18)
Для лучшей визуализации дисперсионные зависимости представлены в виде первой производной фотоэлектронной интенсивности по энергии /. Энергия фотонов 62 эВ. (б) - Конус Дирака состоянийв точке K , измеренный в направлении, перпендикулярном ΓK ЗБ графена. Измеренияпроводились при комнатной температуре. Энергия фотонов 62 эВ. (в) - Серия фотоэлектронных спектров со спиновым разрешением, измеренные при указанных значениях‖ относительно ‖ =0. Синим и красным цветом обозначены спектры для противоположных проекций спина.
(г), (д) - Результаты теоретических расчетов по локальнойспиновой поляризации вдоль направления ΓK и направления, перпендикулярного к ΓK ,соответственно. Расчеты проведены в рамках совместных исследований к.ф.-м.н. С.С.Циркиным, Университет Страны Басков, Испания.901. Интеркаляция атомов Au, Cu, Bi под графен, синтезированный на Ni(111) восстанавливает электронную структуру, характерную для квазисвободного графена с конусом Диракаэлектронных состояний в области точки K ЗБ графена и точкой Дирака, локализованнойвблизи уровня Ферми.2.
Аномально большое индуцированное спин-орбитальное расщепление состоянийграфена, которое зависит от наличия в валентной зоне нижележащего металла спинполяризованных состояний, обнаружено для графена на Ni(111) c интеркалированнымиатомами Au (100 мэВ) и для графена на Pt(111) (80 мэВ).3.
Интеркаляция Cu под графен/Ni(111) приводит к формированию электронной структуры, характерной для квазисвободного графена. Однако, наблюдается -допирование графенаи формирование небольшой запрещенной зоны в точке Дирака. В энергетической области пересечения состояний графена с 3 состояниями Cu наблюдаются разрывы дисперсионныхзависимостей вследствие гибридизации этих состояний. Но это не приводит к различимомув эксперименте индуцированному спин-орбитальному расщеплению состояний графена,вследствие малого атомного номера Cu и малого спин-орбитального взаимодействия в Cu.4. Интеркаляция атомов Bi под графен/Ni(111) приводит к общему сдвигу зоны всторону уровня Ферми, как и в случае Au, Cu, при этом наблюдается -допирование графенаи формируется небольшая запрещенная зона в точке Дирака.
Показано, что ввиду отсутствияпроцессов гибридизации состояний графена с состояниями Bi и отсутствия в валентной зонеBi спин-поляризованных состояний, не наблюдается индуцированного спин-орбитальногорасщепления состояний в графене.5. Отличительной особенностью графена на Pt(111) является то, что спин-зависимыеэффекты гибридизации электронных состояний происходят непосредственно вблизи уровняФерми, что может быть использовано в спинтронике (см. главу 7).Глава 5Интеркаляция Al под графен на Ni(111).Механизм взаимодействияинтеркалированного металла сподложкойИнтеркаляция атомов Al под графен/Ni(111) блокирует сильное взаимодействие графенас Ni подложкой и приводит к формированию электронной структуры, подобной электроннойструктуре квазисвободного графена.
Однако при исследовании оказалось, что интеркаляцияAl под графен, синтезированный на поверхности Ni(111) довольно сложный процесс с различными этапами конечного формирования системы. При этом понимание данного процессанеобходимо для корректного анализа электронной структуры графена. Поэтому для началарассмотрим условное представление различных процессов, происходящих при интеркаляцииAl под графен, вплоть до стадии установления стабильной электронной структуры, характерной для слоя Al, накопленного на интерфейсе непосредственно под графеном, см. рисунок5.1. Коротко процесс формирования системы можно представить в несколько этапов.Первой стадией является формирование графена крекингом пропилена на поверхностиNi(111), рисунок 5.1 (a), (б).
В результате формируется структура с хорошо упорядоченным графеном на поверхности Ni(111), как было рассмотрено в главе 1.4, рисунок 5.1 (б).На второй стадии производится напыление Al на поверхность графена (рисунок 5.1 (в)) споследующим термическим отжигом системы при температуре 400∘ С в течение 5 минут(рис.
5.1 (г)). В результате прогрева напыленный Al интеркалируется под графен с растворением в слое Ni(111) и образованием приповерхностного сплава с высокой относительной9192Рисунок 5.1: Схематичное представление процесса интеркаляции Al под графен/Ni(111).(a) - монокристалл Ni(111); (б) - графен, сформированный на поверхности Ni(111) методом CVD (крекинг пропилена); (в) - напыление Al на поверхность графена; (г) - прогревсистемы после напыления Al (стадия растворения Al в Ni); (д) - повторное напыление Al на поверхность системы; (е) - прогрев системы после напыления Al, накоплениеатомов Al на интерфейсе под графеном; (ж) - третье напыление Al на поверхность системы; (з) - прогрев системы после напыления Al, формирование системы со сплошнымзаполнением интерфейса алюминием непосредственно под графеном.93концентрацией Ni.
С целью увеличения относительной концентрации Al в формируемом NiAl сплаве производилось дополнительное напыление Al на поверхность системы (рис. 5.1(д)) с последующим повторным прогревом системы при тех же температурах (рис. 5.1 (е)).Это приводило к увеличению относительной концентрации Al в приповерхностном сплавеNi-Al и частичному накоплению Al непосредственно на интерфейсе под графеновым монослоем (рис.
5.1 (е)). При последующем напылении Al на поверхность системы (рис. 5.1 (ж))и соответствующем дополнительном прогреве системы при той же температуре концентрации напыленного Al оказывается уже достаточной для формирования практически полногослоя атомов Al на интерфейсе под графеном (рис. 5.1 (з)), что приводит к формированиюэлектронной структуры, подобной квазисвободному графену на поверхности Al.Исследования проводились на Российско-Немецком канале вывода синхротронного излучения на BESSY II (Helmholtz-Zentrum Berlin) и выполнены на экспериментальной станцииRGBL с использованием полусферического энергоанализатора Phoibos.5.1Анализ РФЭС спектров внутренних уровней.На рисунке 5.2 представлены изменения структуры фотоэлектронного спектра 1 внутреннего уровня углерода с разложением на составляющие компоненты на всех стадиях процессаинтеркаляции Al.
Спектры РФЭС внутренних уровней измерялись при энергии фотонов 630эВ. Для разложения спектров на компоненты использовался контур Фойгта и предварительно вычитался фон неупруго рассеянных электронов в фотоэлектронных спектрах по методуШирли. Как видно из рисунка 5.2 (спектр 5.2 (a)) графен, сформированный на поверхностиNi(111), см. стадию (б) на рис. 5.1, характеризуется энергией связи C 1 пика, равной 284.9эВ, что совпадает с результатами ранее проведённых исследований [42, 49].
По сравнениюс высоко ориентированным пиролитическим графитом, спектр которого также представленна рис. 5.2 (ж), пик C 1 для графена на поверхности Ni(111) сдвинут в сторону большихэнергий связи за счет сильного взаимодействия графена с Ni подложкой.Фотоэлектронные спектры внутренних уровней Al 2, Ni 3 исследуемой системы представлены на рисунке 5.3.При напылении Al на графен/Ni(111) (см. стадию (в) на рис. 5.1), энергетическое положение пика C 1 смещается на ∼ 0.1 эВ в сторону увеличения энергии связи. Пик Al 2(рис.
5.3) на стадии напыления Al имеет энергию связи 73 эВ, что на ∼ 0.3-0.4 эВ большезначения энергии связи пика Al 2 после прогрева системы, когда Al уже проникает под94графен и растворяется в Ni подложке (рис. 5.1 (г)). Данные результаты согласуются с ранееопубликованными работами по изучению Ni-Al соединений [141].Непосредственно после напыления Al находится на поверхности графена в металлических кластерах, не контактируя со слоем Ni(111). Поэтому наблюдающийся небольшой сдвиг(∼ 0.1 эВ) C 1 пика в сторону увеличения энергии связи можно связать с некоторым заполнением ранее незаполненных * состояний графена вследствие переноса заряда между Al играфеном.
Т.к. плотность * состояний на верхнем конусе электронных состояний графенанепосредственно выше уровня Ферми мала, то даже небольшое их заполнение должно приводить к общему сдвигу электронной структуры графена (C 1 и валентной зоны) в сторонуувеличения энергии связи.При прогреве системы до температуры ∼ 400∘ С (см. стадию (г) на рис. 5.1) интенсивностьпика С 1 увеличивается (спектр (в) на рис. 5.2), хотя и не доходит до первоначальной,характерной для исходной системы графен/Ni(111), а интенсивность пика Al 2 уменьшается(спектр (2) на рис. 5.3 (а)). При этом энергетическое положение пиков C 1 и Al 2 видимымобразом изменяется.
Пик Al 2 сдвигается при прогреве системы в сторону меньших энергийсвязи (на ∼ 0.5-0.6 эВ), а пик C 1 возвращается на свое исходное энергетическое положение,характерное для графен/Ni(111).Разложение структуры пиков C 1 и Al 2 на составляющие компоненты показывает,что прогрев системы приводит к тому, что пик С 1 становится двойным (рис.5.2 (в)).Первая компонента в разложении данного пика (, энергия связи 284.9 эВ) соответствуетграфену, сформированному на поверхности Ni(111), а вторая компонента, очень небольшойинтенсивности, (, энергия связи 284.5 эВ) – графену, с более слабой связью с подложкой,в данном областям графена, где непосредственно под ним начинают накапливаться атомыAl.При этом в спектре уровня Al 2 после прогрева системы можно выделить уже три компоненты (рис.
5.3 (a), спектр (2)). Компонента (I) в разложении пика Al 2 при энергии связи73 эВ соответствует атомам Al в металлическом состоянии, напыленным на поверхность.Интенсивность этой компоненты после прогрева системы очень мала. Компонента (II) приэнергии связи 72.6 эВ соответствует Al, который растворяется в Ni подложке при прогревесистемы и формирует приповерхностный сплав Ni-Al с высокой концентрацией Ni. Третьякомпонента (III) при энергии связи 72.2 эВ характеризует Al, который начинает накапливаться непосредственно под монослоем графена.
Можно предположить, что под поверхностью графена начинают формироваться области Ni-Al сплава с различной концентрацией Al,и эти области проявляют себя различным образом в электронных спектрах.95Рисунок 5.2: Фотоэлектронные спектры в области С 1 (энергия фотонов = 630 эВ)на различных стадиях интеркаляции Al под графен (см. рис. 5.1): (a) – графен/Ni(111);(б), (д) –напыление Al на поверхность графен/Ni(111); (в), (г), (е) – соответствующиепрогревы системы с напыленным Al при температуре 400∘ С в течение 5 минут; (ж) спектр C 1 пиролитического графита HOPG, для сравнения.96Значительных изменений формы и энергии Ni 3 пика при интеркаляции Al на даннойстадии не наблюдается.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
