Диссертация (1150502), страница 22
Текст из файла (страница 22)
После накопления на интерфейсе под графеном сплошного слоя атомов интеркалированного Al (т.е. после окончания формирования системы, которую можно рассматривать вкачестве графена с интеркалированным Al) электронная структура графена характеризуетсянебольшим сдвигом зоны состояний на ∼ 0.4 эВ в сторону увеличения энергии связи относительно уровня Ферми и формированием в области уровня Ферми небольшой запрещеннойзоны с шириной ∼ 0.4 эВ.
Появление запрещенной зоны может быть связано с некоторымискажением кристаллической структуры графена вследствие несовпадения кристаллическихпараметров графена и подложки. Кроме того, в отличие от интеркаляции благородных металлов под графен, при интеркаляции Al искажений и разрывов дисперсионных зависимостей состояний в электронной структуре графена не происходит, и в целом структура дисперсионных зависимостей графена после интеркаляции Al наиболее подобна структуре, характернойдля квазисвободного графена.4.
Переноса заряда между интеркалированными атомами Al и графеном на уровне, ожидаемом исходя из оценок, сделанных в работах [63, 147] не наблюдается.Глава 6Индуцированное обменное испин-орбитальное взаимодействие всистеме графен/Au/Co(0001)Допирование графена магнитными примесями и исследование контакта графена с переходными 3d ферромагнитными металлами (Ni, Co, Re) привлекает большой интерес в настоящее время в связи с возможностью применения данных систем в спинтронике для созданияиндуцированной намагниченности [149]. Адатомы Co на поверхности графена интенсивноисследуются теоретическими [150–153] и экспериментальными [154] научными группами вовсем мире.
Была обнаружена высокая магнитная анизотропия для системы Co-графен [155],которая делает этот металл очень перспективным для использования в графенсодержащихсистемах.С другой стороны, в главе 4 было показано, что контакт графена с немагнитным металломAu, в случае интеркаляции атомов Au под графен, приводит к аномально высокому индуцированному спин-орбитальному расщеплению состояний графена, связанному с гибридизацией электронных состояний графена и спин-поляризованных электронных состоянийAu (металла с большим атомным номером и большим градиентом внутриатомного потенциала). В таком случае, интеркаляция атомов Au под графен, синтезированный на поверхностиферромагнитного металла Co, позволяет создать привлекательную для исследований систему, в которой формируется индуцированное обменное и спин-орбитальное взаимодействие,оказывающее влияние на спиновую структуру графена.Графен на Co(0001) был синтезирован в ресурсном центре Научного парка СПбГУ “Физические методы исследования поверхности” (РЦ ФМИП) методом CVD на нагретой до111112температуры 660∘ С поверхности Co(0001)(95 Å)/W(110).
Интеркаляция атомов Au производилась напылением слоя золота (3.6 Å∼ 1.5 МС) на поверхность графена с последующимотжигом системы до температуры 450-500∘ С.Исследования электронной энергетической и спиновой структуры графена проводились вРЦ ФМИП на научно-исследовательском комплексе “Нанолаб” с использованием анализатора VG Scienta R4000 с 3D детектором Мотта (26 кэВ) и монохроматизированного ультрафиолетового источника излучения и на каналах U125-2-SGM, UE56-2-PGM2 вывода синхротронного излучения BESSY-II (Гельмгольц-центр Берлин, Германия) на экспериментальнойстанции PHOENEXS с использование анализатора SPECS Phoibos 150 и детектора Мотта(26 кВ).
Все исследования осуществлялись при комнатной температуре образца. Измерения СТМ с атомным разрешением проводились в РЦ ФМИП на научно-исследовательскомкомплексе “Нанолаб” с использованием зондового микроскопа Omicron VT AFM XA 50/500.6.1Исследование электронной и спиновой структурыГрафен, синтезированный на поверхности монокристалла Co(0001), исследуется уже продолжительное время различными научными группами. Однако, до недавнего времени удавалось синтезировать только графен с многодоменной кристаллической структурой. Но в2015 году в работе [50] были продемонстрированы оптимальные параметры и температурный диапазон для CVD метода синтеза высокоориентированного однодоменного графена наCo(0001).Рисунок 6.1: Картины ДМЭ для (a) - Co(0001), (б) – графен/Co(0001), (в) – графен/Au/Co(0001).
Энергия первичного пучка электронов обозначена на рисунке как E .На рисунке 6.1 (б) представлена картина дифракции графена на Co(0001) с однодоменной кристаллической структурой. Решетка графена хорошо согласуется с кристаллическойрешеткой подложки Co (6.1 (а)) демонстрируя (1×1) структуру [50]. После интеркаляции113Au наблюдается формирование (9.5 × 9.5) сверхструктуры в виде картины муара (рисунок 6.1 (в)). Ранее подобная сверхструктура наблюдалась при интеркаляции Au под графен/Ni(111) [45, 132].Электронная структура графена, синтезированного на Co(0001) существенно искаженавследствие сильного взаимодействия состояний графена с состояниями Co [50, 52].
Однако интеркаляция некоторых металлов, как было показано в главе 4, может приводить квосстановлению электронной структуры квазисвободного графена и линейного конуса Дирака электронных состояний графена вблизи уровня Ферми. На рисунке 6.2 (а), (б) представлены дисперсионные зависимости электронных состояний для системы графен/Au/Co(0001),измеренные в направлении ΓK ЗБ графена и направлении, перпендикулярном к ΓK , соответственно.
Данные дисперсии характеризуются линейной зависимостью состояний вблизиуровня Ферми в области точки K ЗБ графена. Точка Дирака локализована вблизи уровняФерми и наблюдается допирование графена (согласно оценке, точка Дирака локализованапри энергии 40 мэВ выше уровня Ферми). На рисунке 6.2 (в) показаны срезы постояннойэнергии для конуса Дирака графена, показано, что уровень Ферми пересекает нижний издвух конусов Дирака, и точка Дирака, точка пересечения этих двух конусов, локализовананесколько выше уровня Ферми.При этом в области энергий связи от 2 до 6 эВ локализованы состояния Au. Вследствие гибридизации состояний графена с состояниями Au в области пересечения этихсостояний (область отмечена на рисунке 6.2 (а)) формируются разрывы дисперсионных зависимостей, обусловленные спин-зависимыми эффектами “непересечения” электронных состояний с одинаковыми проекциями спина (см.
параграф 4.1 для случая интеркаляции Auпод графен/Ni(111)). Наличие таких искажений и разрывов дисперсионных зависимостей непрепятствует формированию линейной зависимости состояний в области точки K . Такимобразом, вблизи уровня Ферми электронная структура графена на Co(0001) после интеркаляции Au становится подобной электронной структуре квазисвободного графена.Для дальнейшего обсуждения результатов исследования важно отметить, что системабыла намагничена внешним магнитным полем и для анализа ориентации магнитного момента в образце были проведены исследования спиновой структуры электронных состоянийподложки Co, которые отчетливо видны в фотоэлектронных спектрах нормальной эмиссиипри энергии фотонов 120 эВ.
Данная энергия фотонов соответствует большей длине свободного пробега фотоэлектронов, чем энергия 50-62 эВ, используемая для анализа состоянийграфена, поэтому в фотоэлектронном спектре преимущественный вклад был от состоянийCo. На рисунке 6.3 показаны фотоэлектронные спектры нормальной эмиссии с разрешени-114Рисунок 6.2: Дисперсионные зависимости электронных состояний валентной зоны длясистемы графен/Au/Co(0001), измеренные (а) - в ΓK направлении ЗБ графена (энергияфотонов 62.5 эВ) и (б) - в направлении, перпендикулярном к ΓK ЗБ графена (энергияфотонов 21.2 эВ).
Для лучшей визуализации дисперсионные зависимости на рисунке (а)представлены в виде второй производной по энергии 2 /()2 . (в) - срезы постояннойэнергии, измеренные в плоскости ( , ), где соответствует оси вдоль направленияΓK ЗБ графена, а соответствует оси, перпендикулярной к ΓK ЗБ графена. Энергияфотонов 21.2 эВ.115ем по спину состояний Co, локализованных на уровне Ферми (энергия фотонов 120 эВ).Кобальт характеризуется различной плотностью состояний с противоположными проекциями спина на уровне Ферми (majority ↑ электронные состояния и minority ↓ электронныесостояния), которые определяются намагниченностью кобальта. Поэтому на рисунке 6.3 (а)мы наблюдаем большой пик Co состояний с проекцией спина “вверх” ↑ при энергии связи∼1 эВ и узкий пик Co состояний с проекцией спина “вниз” ↓ непосредственно на уровнеФерми.
При получении фотоэлектронных спектров со спиновым разрешением с использование классического 2D детектора Мотта (см. параграф 2.1.3) при определенном угле вылетафотоэлектронов мы измеряем 2 проекции спина электронов на две взаимно перпендикулярные оси в плоскости образца. Обозначим в данной работе проекцию спина на ось вдольизмеряемого волнового вектора фотоэлектрона ‖ как и на ось, перпендикулярную к ‖как , соответственно.
На рисунке 6.3 (а), (б) показаны фотоэлектронные спектры, соответствующие введенному выше обозначению На рисунке 6.3 (а) наблюдаем явную спиновуюполяризацию Co состояний, а на рисунке 6.3 (б) ее отсутствие. Это означает, что вектормагнитного момента образца расположен строго вдоль оси . И при повороте образца наазимутальный угол 90∘ (рис. 6.3 (в), (г)) наблюдаем переход спиновой поляризации уже вдругие каналы детектора Мотта, что означает поворот вектора магнитного момента на 90∘ ион становится направлен вдоль направления .
При этом в каналах детектора Мотта, измеряющих проекцию спина вдоль условно введенного направления (рис. 6.3 (в)), показаноотсутствие спиновой поляризации Co состояний. Таким образом, при измерении дисперсионных зависимостей в ΓK направлении ЗБ графена, магнитный момент ориентирован строгов плоскости образца и направлен перпендикулярно направлению измеряемого волнового вектора фотоэлектрона ‖ . Данное наблюдение потребуется для дальнейшего анализа спиновойструктуры графена.В данной работе мы исследуем электронную и спиновую структуру системы графен/Au/Co(0001) в направлении ΓK ЗБ графена и в области долин двух противоположныхточек K , расположенных на одной оси при одинаковых значениях ±‖ относительно центраЗБ графена при ‖ =0 (см.
рисунок 6.5 (б)). Для измерения фотоэлектронных спектров вобласти противоположной точки K′мы использовали поворот азимутального угла на 180∘ .При этом происходил и поворот вектора магнитного момента, ориентированного в плоскостиобразца, как показано на рисунке 6.4. Рисунок 6.4 (а), (в) - соответствуют исходной ориентации вектора магнитного момента.
Но 6.4 (в) получается из 6.4 (а) просто поворотом образцана азимутальный угол 180∘ . Показано, что спиновая поляризация Co состояний меняетсяинверсным образом (majority и minority электронные состояния меняются местами). При116Рисунок 6.3: Фотоэлектронные спектры Co состояний с разрешением по спину, измеренные при нормальной эмиссии. Энергия фотонов 120 эВ. Синим и красным цветомобозначены спектры для противоположных проекций спина. (а), (в) - Спектры измеренные в двух каналах детектора Мотта, регистрирующих проекцию спину на ось вдольусловного направления , (б), (г) - вдоль . Ориентация образца в случае (а), (б) соответствует измерению в направлении ΓK ЗБ графена, (в), (г) - направлению ΓM ЗБграфена, т.е. означает поворот образца на азимутальный угол 90∘ .117этом если перемагнитить систему приложенным внешним магнитным полем (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
