Диссертация (1150502), страница 24
Текст из файла (страница 24)
составляет 9.5 межатомных расстояний в графене. На рисунке 6.8 (а) показаны профили СТМ изображения и под номером 1 показан профиль, соответствующийпериоду треугольных дислокаций на графене. Это период составляет около 23,3 Å или 2.33нм, что при условии постоянной решетки в графене 0 = 0.246 Å, соответствует ∼ (9.5×9.5)122Рисунок 6.7: СТМ изображения одной области на поверхности образца графен/Au/Co(0001) при различных параметрах сканирования: (а) соответствует приложенному напряжению = 5 мВ и туннельному току = 0.43 нА, (б) - = 2 мВ и = 0.43 нА. (в) - СТМ изображение поверхности образца графен/Au/Co при = 3 мВ и = 0.4 нА.сверхструктуре.
Профиль под номером 2 показывает, что сторона каждого треугольникадислокации является шириной в один атом и составляет примерно 2-3 Å.Подобные структурные дислокации в СТМ изображениях наблюдались ранее в литературе для монослоя Au на поверхности Ni(111) [131] и назывались “дислокационные петли”. Влитературе было проведено моделирование данных особенностей треугольниками, образованными атомами нижележащего слоя Ni, внедренных в слой Au. Каждая сторона треугольникаобразована 5 атомами Ni из верхнего слоя подложки, которые перемещены в слой Au вместоатомов золота.Система Au/Ni(111) очень близка по структурным параметрам к системе Au/Co(0001),поэтому в данной работе было проведено моделирование монослоя Au расположенного наповерхности двух первых слоев Co(0001) с учетом таких структурных треугольных дислокаций с целью последующего использования данной модели для теоретических расчетовэлектронной и спиновой структуры графена на Co(0001) c интеркалированными атомами Au.Результаты моделирования кристаллической структуры монослоя Au на Co(0001) продемонстрированы на рисунке 6.8 (б).
Были заданы гексагональные ячейки для Co, Au, графена.Параметры решеток были следующие: два верхних слоя Co(0001) - a=2.5 Å, b=2.5 Å, c=4.06Å, Au - a=2.25 Å, b=2.25 Å, С - a=2.5 Å, b=2.5 Å.123Рисунок 6.8: (а) СТМ изображение системы графен/Au/Co(0001) с треугольными структурными дислокациями, = 10 мВ и = 0.4 нА. Показаны профили поверхности вдольконтуров 1 и 2, отмеченных на СТМ изображении. (б) - Моделирование атомной структуры монослоя Au/Co(0001). (в) - СТМ изображение системы графен/Au/Co(0001) размером 1 нм на 1 нм, показана гексагональная структура графена при параметрах сканирования: = 5 мВ и = 0.4 нА, скорость 23.2 нм/сек.124При этом на рисунке 6.8 (в) представлено увеличенное СТМ изображение структурыграфена между треугольными дислокациями, которое показывает гексагональную решеткуграфена с отсутствием нарушения эквивалентности двух подрешеток.
что свидетельствует ослабой связи графена с подложкой. Данные результаты согласуются с экспериментальнымиисследованиями электронной структуры графена, синтезированного на Co(0001) с интеркалированными атомами Au.′Рисунок 6.9: Теоретические расчеты системы графен/Au/Co(0001) в направлении K -Γ-K ЗБ графена с учетом спин-орбитального взаимодействия. Расчеты проведены М.М.Отроковым (научная группа проф. Е.В. Чулкова, Испания).На основании проведенного анализа атомной структуры графен/Au/Co(0001), были проведены расчеты электронной структуры графена методом функционала плотности с учетомспин-орбитального и обменного взаимодействия.
Расчеты проделаны к.ф.-м.н. М.М. Отроковым (научная группа проф. Е.В. Чулкова, Университет Страны Басков, Испания) в рамкахсовместных исследований. На рисунке 6.9 представлены результаты расчетов. Магнитныймомент в Co был направлен в плоскости образца и вдоль (как и в случае эксперимента,см. описание выше). Вместо треугольных структурных дислокаций использовались периодически внедренные атомы Co в слой Au.
Общая концентрация атомов Co в слое Au составляла 33%, схематичное расположение атомов показано на рисунке 6.9 справа. Вследствиеразличной связи атомов графена с атомами Au и Co, расстояние между графеном и ниже-125лежащим смешанным слоем также варьировалось. Равновесное расстояние между атомамиC и Au составило 3.1 Å, а между C и Co - 2.63 Å. В ходе расчета такой структуры былопоказано, что магнитный момент, который передается на атомы графена за счет лежащихпод ним внедренных атомов Co существенно больше, чем в случае рассмотрения плоскойструктуры со сплошным монослоем Au под графеном. Таким образом, введение структурных изменений в подложке обеспечило необходимое влияние обменного взаимодействия Coна графен. Результаты расчета электронной структуры с учетом спин-орбитального и обменного взаимодействия показали наличие асимметрии спиновой структуры состояний в′области противоположных точек K и K ЗБ графена.
Кроме того, также показано различноерасщепление состояний графена выше уровня Ферми (отмечено кружками).6.3Выводы к главе 6На основании проведенных исследований сформулированы следующие основные выводы:1. Показано, что интеркаляция Au под графен с однодоменной кристаллической структурой, синтезированный на Co(0001), сопровождается блокировкой сильного взаимодействияграфена с Co подложкой и приводит к формированию линейной зависимости дисперсии состояний в области точки K ЗБ графена.
При этой наблюдаются эффекты гибридизации состояний графена с состояниями Au, приводящие к разрывам дисперсионных зависимостейв области пересечения этих состояний, но которые не влияют на формирование в областиуровня Ферми электронной структуры, характерной для квазисвободного графена.2. Обнаружено, что после интеркаляции Au под графен на Co(0001) спиновое расщепле′ние состояний в одной точке K ЗБ графена составляет ∼150 мэВ, тогда как в противоположной относительно центра ЗБ точке K спиновое расщепление состояний составляет ∼1040 мэВ в различных экспериментах. Таким образом, показано формирование асимметричнойспиновой структуры относительно центра ЗБ графена в области двух противоположных точ′ках K и K , обусловленной влиянием индуцированного обменного и спин-орбитального′взаимодействия в графене.
При этом вне областей точек K и K , когда состояния становятся энергетически разделены с Co состояниями, величина расщепления составляет∼ 40 мэВ. Показано, что при изменении направления приложенного внешнего магнитногополя, поляризация состояний инверсным образом меняется, что подтверждает влияниеобменного взаимодействия на величину расщепления состояний.3. Исследования локальной атомной структуры графена на Co(0001) показали образование структурных дислокаций треугольной формы, которые могут быть описаны, как тре-126угольные структуры под графеном, образованные внедренными в слой Au атомами Co изверхнего слоя подложки Co(0001).4.
Теоретические расчеты электронной структуры графена на Co(0001) с интеркалированными атомами Au с учетом спин-орбитального взаимодействия показали наличие асимметричной спиновой структуры дисперсии состояний относительно точки Γ ЗБ графена.Глава 7Возможности применения систем наоснове графена в спинтроникеФормируемая при контакте с различными металлами уникальная электронная и спиновая структура графена (см. главы ??) может быть успешно использована для созданияновых устройств спинтроники. В данной главе продемонстрированы апробированные возможности использования графена и модели устройств спинтроники на основе графена. Содной стороны, благодаря линейной дисперсионной зависимости состояний, графен обладает такими качествами как аномально высокая подвижность носителей заряда на уровнеФерми и большой длиной спиновой релаксации (благодаря высокой подвижности носителей и малому внутреннему спин-орбитальному расщеплению электронных состояний [5]).Это делает графен перспективным материалом, используемым для эффективного транспортаспиновых токов в устройствах спинтроники.
С другой стороны, большое спин-орбитальноерасщепление электронных состояний в графене, обнаруженное при контакте с Au, Pt (Глава4) открывает перспективы использования графена в качестве активного элемента устройстваспинтроники для генерации спин-поляризованных токов. В следующих двух параграфах рассмотрим подробнее данные возможности применения графена.7.1Графеновый спиновый фильтрИдея графенового спинового фильтра на основе контакта графена с поверхностью ферромагнитного металла Ni(111) была предложена в ряде научных публикаций (см., например [160–163]).
Классический вариант устройства состоит из монослоя графена и двухферромагнитных электродов по краям графена. Первый ферромагнитный Ni(111) электрод127128используется для инжекции спиновых токов в графен, а второй аналогичный электрод длявыделения (приема) спиновых токов после транспорта через графеновый лист. Графен, ввидубольшой длины спиновой релаксации используется в качестве материала, в котором происходит транспорт инжектированных спиновых токов без существенных потерь до второго электрода, где происходит окончательная селекция токов с определенным направлением спина. Воснове работы указанного спинового фильтра лежит следующая идея: электронная структураNi(111) характеризуется существенно различной плотностью электронных состояний для противоположных проекций спина вблизи уровня Ферми.
Состояния с одной проекцией спина(majority ↑ электронные состояния) расположены ниже уровня Ферми при энергии связи ∼ 1эВ. При этом состояния с противоположной проекцией спина (minority ↓ электронные состояния) располагаются в основном на уровне Ферми. Если поверх Ni(111) расположить графени приложить соответствующее электрическое поле, то электроны, энергетически локализованные вблизи уровня Ферми, могут инжектироваться в графен. При этом инжектированныеэлектроны будут характеризоваться преимущественно одной проекцией спина, т.е. той проекцией, которую имеют электроны в Ni(111) на уровне Ферми. Если в системе имеется дваNi электрода, то под действием приложенного между ними тянущего электрического поляинжектированные в графен электроны после транспорта в графене будут достигать второгоNi электрода. Так как второй Ni электрод характеризуется аналогичной электронной спиновой структурой, то из графена в Ni электроны могут инжектироваться преимущественнона состояния, локализованные на уровне Ферми, которые характеризуются той же проекцией спина.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
