Диссертация (1150502), страница 25
Текст из файла (страница 25)
Это может иметь место только при параллельной намагниченности Ni электродов.При антипараллельной намагниченности Ni электродов на уровне Ферми во втором электродеимеются только состояния с проекцией спина, противоположной проекции спина электронных состояний на уровне Ферми в первом Ni электроде. Это приведет к тому, что электроныиз графена со спиновой ориентацией, задаваемой первым Ni электродом, не смогут бытьинжектированы во второй электрод, и результирующий спиновый ток на выходе системыбудет нулевым. Это означает, что при параллельной намагниченности Ni-электродов в системе существует спиновый ток, а при антипараллельной - спиновый ток должен стремитсяк нулю.
Таким образом меняя намагниченность второго Ni электрода, можно переключатьспиновые токи, проходящие через систему. В этом и заключается основная идея работы спинового фильтра. Графен в данной системе обеспечивает прохождение с малыми потерямиинжектированного спинового тока для определенной проекции спина ввиду невозможности“смешивания” в графене спиновых электронных состояний и большой величины спиновойрелаксации, что обеспечивает малые потери в спиновой поляризации (степени поляризации)129инжектированных и транспортируемых электронов.
Для выполнения этих условий уникальная электронная и спиновая структура графена с линейной дисперсионной зависимостьювблизи уровня Ферми в области точки K ЗБ графена должна сохраняться при контакте сферромагнитным электродом. Предположение о сохранении электронной структуры графенапри контакте с Ni(111) и лежит в основе данной модели графенового спинового фильтра.При этом экспериментальные исследования в главе 4 показали, что предположение осохранении электронной структуры графена при контакте с Ni(111) не соответствуют действительности. В реальности при контакте графена с поверхностью Ni(111) электроннаяструктура, характерная для графена с линейной дисперсией состояний графена в области точки K ЗБ, не сохраняется.
В области уровня Ферми (0-2 эВ) происходит искажениеи нарушение линейного характера дисперсионной зависимости состояний графена вследствие сильной гибридизации с состояниями Ni (Глава 1.4, 4). Поэтому контакт графена споверхностью Ni(111) не может напрямую быть использован в качестве базовой основы дляустройств эффективной спиновой фильтрации.В работе [164–166] предложили другой вариант графенового спинового фильтра. Онвключает электрод из ферромагнитного металла Co(0001), имеющего аналогичную Ni спиновую электронную структуру валентной зоны, при этом в пространство между графеноми ферромагнитным электродом введен тонкий диэлектрический слой из оксида Mg или Al.Этот диэлектрический слой играет двойную роль: c одной стороны решает проблему несоответствия проводимости графена и ферромагнетика, а с другой стороны блокирует возвратныеспиновые токи.
Однако при этом возникают большие потери спиновых токов и степени спиновой поляризации при прохождении дополнительного диэлектрического слоя.Экспериментальные исследования электронной и спиновой структуры графена, синтезированного на поверхности Ni(111) или Co(0001) и интеркалированного атомами Au (глава 4,глава 6), показали, что после интеркаляции атомов металла Au наблюдается восстановлениеэлектронной структуры, характерной для квазисвободного графена с линейной дисперсионной зависимостью состояний графена в области уровня Ферми. Электронная структураграфена на Ni(111) с интеркалированными атомами Au представлена на рисунке 7.1 (а).Происходит блокировка сильного взаимодействия графена с Ni подложкой и формируетсялинейный конус Дирака на уровне Ферми в точке K ЗБ графена.
К аналогичным изменениям приводит и интеркаляция других металлов под графен на Ni(111) - Cu (глава 4),Ag [62, 64], с небольшим -допированием графена.Анализ экспериментальных результатов позволяет заключить, что прямой контакт графена с интеркалированным монослоем атомов Au (Cu, Ag) на интерфейсе между графеном и Ni130Рисунок 7.1: (а) - Дисперсионные зависимости состояний системы графен/Au/Ni(111)в области точки K вблизи уровня Ферми, измеренные в перпендикулярном к ΓK направлении ЗБ графена при T=40∘ K и энергии фотонов 62 эВ. (б) - Схематичная модельграфенового спинового фильтра с модифицированными электродами, см.
текст. Обозначение (буф) - буферный графен.подложкой может быть использован в качестве элемента графенового фильтра, который будет обладать всеми уникальными физико-химическими свойствами графена обусловленнымилинейной дисперсией валентных электронных состояний в графене.На рисунке 7.1 (б) представлена упрощенная схематичная модель устройства спиновогофильтра с двумя электродами, основанного на использовании контакта графен/Au/Ni. Электроды под графеном уже представляют собой не ферромагнитный металл [162, 164, 165], аконтакт графен(буферный)Au/Ni(111) (или Au/Co(0001)).
Буферный графен, ограниченныйразмерами электрода, вводится аналогично диэлектрическому слою из оксида Mg или Alв работах [164–166]. Введение данного буферного графена позволяет отойти от жесткойпривязки электронной структуры графена относительно уровня Ферми металла и смещатьконусы электронных состояний графена (образованные пересечением ветвей состоянийграфена в области точки K ЗБ графена) приложенным потенциалом, обеспечивая эффективность оттока инжектированных электронов в графен и минимизируя возвратные спиновые токи.
Для технического осуществления данного устройства необходимо создание квазисвободного графена между двумя электродами, обеспечивающего эффективный транспортспин-поляризованных токов. Как показано на рисунке 7.1 (б), графен можно расположитьповерх подложки карбида кремния, а электроды поместить сверху на графене. В такой кон-131фигурации были предложены и классические модели графенового спинового фильтра, см.например [162].Согласно энергетической потенциальной диаграмме, приведенной на рисунке 7.2, электроны с определенной проекцией спина инжектируются из Ni(111) -состояний (minority ↓электронные состояния), локализованных на уровне Ферми, через монослой Au на свободные состояния буферного графена.
Bведение монослоя Au предотвращает разрушение электронной структуры графена при контакте с ферромагнитным металлом. Под действием приложенного тянущего потенциала электроны из буферного графена инжектируются в графен,предназначенный для транспорта инжектированных спиновых токов до второго электрода,служащего детектором спиновых токов. Роль буферного графена заключается в минимизациивлияния контактных явлений на спиновые транспортные характеристики основного графена,в котором осуществляется транспорт, и обеспечении эффективности оттока инжектированных электронов приложенным потенциалом.
Второй контакт графен(буф.)/Au/Ni (детектор)имеет аналогичные характеристики, как и первый графен(буф.)/Au/Ni контакт (инжектор)и обеспечивает эффективное прохождение спинового тока при параллельной намагниченности ферромагнитных электродов и запирание спинового тока при их антипараллельнойнамагниченности.При этом, как показано в Главе 4, интеркаляция атомов Au под графен на Ni(111) кромеблокировки сильного взаимодействия с Ni подложкой приводит и к индуцированному спинорбитальному расщеплению состояний в области линейной дисперсии состояний графенав области уровня Ферми. Величина спин-орбитального расщепления достигает 100 мэВ, аэто означает, что при определенных значениях волнового вектора уровень Ферми пересекаетдисперсионная ветвь состояний только с одной проекцией спина (как показано на рисунке 7.2).
Таким образом, данная спиновая структура графена с большим спин-орбитальнымрасщеплением электронных состояний на уровне Ферми может служить дополнительным каналом для спиновой селекции инжектированных электронов и обеспечит увеличение степениспиновой поляризации электронов в графеновом спиновом фильтре.Модель графенового спинового фильтра, представленная в данной работе оформлена ввиде заявки на патент (Федеральная служба по интеллектуальной собственности ФГБУФИПС (Федеральный институт промышленной собственности) - Регистрационный номер №2015113131, Входящий номер № 020569, дата подачи заявки: 09.04.2015 г. Авторы: ШикинА.М., Рыбкина А.А., Рыбкин А.Г., Цыганов А.Б., Адамчук В.К.) и опубликована в научномжурнале при непосредственном участии соискателя [10].132Рисунок 7.2: Энергетическая диаграмма модели графенового спинового фильтра.
Слева на рисунке вблизи уровня Ферми (E ) показана спиновая структура Ni состояний (minority (MIN) электронные состояния), с которых электроны инжектируютсяна спин-расщепленные состояния буферного графена с последующей их инжекцией восновной графен, предназначенный для транспорта спин-поляризованных токов до второго электрода (справа) посредством приложенного между двумя электродами электрического поля, которое смещает по энергии конусы Дирака состояний. При контактес вторым электродом спиновые токи снова подвергаются спиновой селекции и будутзарегистрированы на выходе устройства, если первый электрод (инжектор) и второйэлектрод (детектор) будут иметь одинаковую спиновую структуру.1337.2Устройство спинтроники для реверсного перемагничивания ферромагнитных наноточек формируемыми спиновыми токамиПри контролируемом управлении намагниченностью в низкоразмерных системах спинтроники (устройства памяти и квантовой логики) посредством внешнего магнитного полязачастую возникают большие трудности, связанные с их большим энергопотреблением исложностью технического осуществления этих устройств [167, 168].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
