Диссертация (1150502), страница 2
Текст из файла (страница 2)
При этом для графенана Ni(111) с интеркалированными атомами Cu или Bi не возникает спин-орбитальногорасщепления состояний графена.4. Впервые показано, что процесс интеркаляции Al под графен на Ni(111) сопровождаетсясплавлением интеркалированного Al с Ni подложкой. Стехиометрия сплава определяется концентрацией интеркалированного Al, и после насыщения системы алюминием подграфеном образуется сплав Ni-Al, терминированный атомами Al, т.е. непосредственнопод графеном формируется сплошной слой Al.5. Впервые исследована электронная и спиновая структура высокоориентированного графена, синтезированного на поверхности ферромагнитного металла Co и интеркалированного атомами немагнитного металла Au с большим атомным номером и большим спин-орбитальным взаимодействием.
Показано, что влияние обменного и спинорбитального взаимодействия приводит к асимметричной спиновой структуре состояний графена в области долин двух противоположных высокосимметричных точек K ,расположенных на границе гексагональной зоны Бриллюэна графена.6. Исследована локальная атомная структура графена на Co(0001) с интеркалированнымAu. Впервые обнаружено формирование структурных дислокаций в локальной атомнойструктуре системы графен/Au/Co.7. На основании исследований, проведенных в рамках диссертационной работы, предложены две модели спиновых электронных устройств – графенового спинового фильтра иреверсного переключателя намагниченности спиновым током, формируемом в системе с7высоким спин-орбитальным расщеплением электронных состояний, без использованиявнешнего магнитного поля.Научная и практическая значимостьИзучение эффектов индуцированной спиновой поляризации электронных состояний внизкоразмерных системах является необходимым и важным для разработки новых перспективных устройств спинтроники.
Исследование основных факторов, влияющих на величину спинового расщепления или спиновой поляризации электронных состояний, позволитпредсказывать спиновые характеристики разрабатываемых спиновых устройств. Использование графена в данных системах с большим спиновым расщеплением позволит существенноулучшить характеристики спиновых устройств, благодаря его уникальным свойствам, обусловленным линейным конусом Дирака электронных состояний вблизи уровня Ферми. Приэтом возможность создания индуцированной спиновой поляризации электронных состоянийв материалах с малым атомным номером (в том числе в графене) при контакте с материалами с большим атомным номером позволит использовать их для создания устройствспинтроники. В данной работе предлагаются модели электронных устройств для областиспинтроники, разработанные на основе графена и его контакта с тяжелыми металлами (Auи Pt) – это усовершенствованный графеновый спиновый фильтр и устройство переключениянамагниченности формируемыми спиновыми токами в системе ферромагнетик/Au/Gr/Pt безиспользования внешнего магнитного поля.Научные положения, выносимые на защиту:1.
Индуцированное спин-орбитальное расщепление квантовых электронных состоянийв тонких слоях Au на поверхности W(110) или Mo(110) определяется материалом подложки и увеличивается с ростом ее атомного номера, а спиновая поляризация квантовых электронных состояний не зависит от подложки и определяется атомным номеромнапыленного металла Au.2. В системе с эпитаксиально выращенным монослоем Au или Cu на поверхности W(110)гибридизованные состояния, формируемые в локальной запрещенной зоне вольфрама, расщеплены по спину.
Расщепление определяется влиянием спин-орбитальноговзаимодействия в подложке и зависит от взаимно компенсирующих вкладов в спинорбитальное взаимодействие от атомов подложки и напыленного металла, что приводитк большей величине расщепления в случае Cu/W, чем Au/W.83. Индуцированное спин-орбитальное расщепление в графене зависит от состава и структуры подложки (Au/Ni, Au/Co, Cu/Ni, Bi/Ni, Pt), атомных номеров элементов ее составляющих и структуры валентной зоны. Индуцированное спин-орбитальное расщепление состояний графена на Ni(111) c интеркалированными атомами Au и графена наPt(111) достигает 80-100 мэВ и зависит от наличия в валентной зоне нижележащегометалла спин-поляризованных состояний.4.
Выявлено совместное влияние индуцированного спин-орбитального и обменного взаимодействия на спиновую структуру состояний в системе графен/Au/Co(0001). Показана асимметричная спиновая структура для двух долин около противоположных точекK на границе зоны Бриллюэна графена с величиной спинового расщепления 150 мэВи 10-40 мэВ, соответственно.5. На основании полученных результатов предложены модели электронных устройств дляспинтроники – графенового спинового фильтра и устройства переключения намагниченности формируемыми спиновыми токами в системе “ферромагнетик/Au/графен/Pt”без использования внешнего магнитного поля.Апробация работы. Основные результаты работы были представлены и обсуждалисьна следующих российских и международных конференциях: Международная студенческая конференция “Science and Progress” (г.
Санкт-Петербург, 2009), Первая НемецкоРоссийская междисциплинарная конференция «The Structure and Dynamics of Matter» (г.Берлин, Германия, 2010), Международная студенческая конференция “Science and Progress”(г. Санкт-Петербург, 2010), XV Международный симпозиум “Нанофизика и наноэлектроника” (г. Нижний Новгород, 2011), Международная конференция «Advanced CarbonNanostructures» (ACN’2011) (г. Санкт-Петербург, 2011), Международная школа для молодых ученых “Carbon Nanostructures Diagnostics” в рамках международной конференции«Advanced Carbon Nanostructures» (г.
Санкт-Петербург, 2011), XXIII симпозиум «Современная химическая физика» (г. Туапсе, 2011), Международная студенческая конференция“Science and Progress 2011” (г. Санкт-Петербург, 2011), XVI Международный симпозиум“Нанофизика и наноэлектроника” (г. Нижний Новгород, 2012), Российско-Немецкая конференция «Fundamentals and Applications of Nanoscience» (г. Берлин, Германия, 2012), Международный семинар “Ordering and dynamics in magnetic nanostructures” (г. Санкт-Петербург,2012), 2-ая Международная школа по физике поверхности «Технологии и измерения атомного масштаба» (г.
Сочи, 2012), Международная студенческая конференция “Science and9Progress 2012” (г. Санкт-Петербург, 2012), XVII Международный симпозиум “Нанофизика и наноэлектроника” (г. Нижний Новгород, 2013), The European Workshop on EpitaxialGraphene (EWEG’2013) (г. Осуа, Франция, 2013), Международная школа для молодых ученых “Advanced Carbon Nanostructures and methods of their Diagnostics” в рамках международной конференции «Advanced Carbon Nanostructures ACNS’2015» (г.
Санкт-Петербург,2015), 12-ая Международная конференция «Advanced Carbon Nanostructures» (ACNS’2015)(г. Санкт-Петербург, 2015)Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 10 печатных работах, из них 8статей в рецензируемых журналах [6–13] и 2 статьи в сборниках трудов конференций [14,15].Личный вклад автора. Все результаты, представленные в работе, получены соискателемлично, либо в соавторстве при его непосредственном участии.Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, шести глав и заключения.
Полный объем диссертации составляет 158 страниц, включая58 рисунков. Список литературы содержит 176 ссылок.Глава 1Обзор литературы1.1Спин-орбитальное взаимодействие в низкоразмерныхсистемахЭффекты спиновой поляризации играют важную роль в формировании электронной испиновой структуры низкоразмерных систем. В данном параграфе мы остановимся на тех изних, которые будут основой наблюдаемых в работе явлений и эффектов.В первую очередь, это эффекты спин-орбитального взаимодействия. Спин-орбитальноевзаимодействие хорошо известное явление, которое заключается в снятии вырождения энергетического уровня в атоме, молекуле или твердом теле.
В физике твердого тела нерелятивистское уравнение Шрёдингера часто рассматривается в качестве первого приближения длярасчета электронной зонной структуры. Без релятивистских поправок оно приводит к двукратному вырождению энергетических зон для электронов с проекцией спина ±1/2, которыемогут быть расщеплены благодаря добавке спин-зависимого члена в гамильтониан. В этомслучае спин-орбитальное взаимодействие может быть учтено, как релятивистская поправкав уравнении Шрёдингера. Для этой цели рассматривается уравнение Дирака, как основное уравнение для электронных систем, учитывающее спин электрона и его релятивистскоеповедение.Для простоты, рассмотрим движение электрона в атоме в рамках классической электродинамики. Пусть электрон движется в атоме со скоростью ⃗ в центрально-симметричном⃗ =электрическом поле, создаваемом ядром 1⃗ . В системе отсчета электрона это элек-трическое поле создает магнитное поле (членами порядка (/)2 и выше пренебрегаем):⃗ = − 1 (⃗ × )⃗ = − 1 (⃗ × )⃗10(1.1)11где - скорость света.
Создаваемое магнитное поле взаимодействует с магнитным момен⃗том ⃗ электрона. Добавка к энергии электрона в этом поле определяется как ∆ = −⃗с ⃗ =~⃗ .2Подставляем выражение для и ⃗ . Используя выражение ⃗ = ⃗ × ⃗, где ⃗ -орбитальный момент электрона, и переходя обратно в систему отсчета ядра (учитывая коэффициент 1/2, связанный с изменением системы отсчета и изменением частоты прецессииспина в магнитных полях при этом), получаем:)︂(︂~~~ 1 ~1 ⃗ ⃗⃗⃗∆ = −⃗ =⃗ · =× ⃗ =(⃗ · ⃗) (1.2)⃗ · (⃗ × ) =⃗ ·222244 4 42 2 где ⃗ представляет собой матрицы Паули, описывающие спин электрона:⎞⎛⎞⎛⎞⎛0 −1 00 1⎠ , = ⎝⎠ , = ⎝⎠, = ⎝ 00 −11 0Тогда в нерелятивистском уравнении Шрёдингера дополнительная поправка дляполного гамильтониана системы =22 =+ будет определяться как~⃗ × ⃗)⃗ · (∇42 2(1.3)где ⃗ - оператор импульса, действующий на волновую функцию в уравнении Шрёдингера,⃗ - спиновый оператор Паули.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
