Диссертация (1150502), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Гамильтониан22в этом случае описывается следующим образом [34, 35], см. также [5, 33]: = ( − )(1.23)где - постоянная Рашбы-Бычкова, , , , , - определены выше.В отличие от модели Рашбы, применимой для двумерных состояний на поверхности металлов (см.
параграф 1.1), величина спин-орбитального расщепления Рашбы в графене независит от величины волнового вектора и постоянна в области линейной зависимости дисперсии состояний в области точек K и ′ .Тогда с учетом внешнего спин-орбитального взаимодействия Рашбы, дисперсия состояний в области высокосимметричных точек K ЗБ графена (рис. 1.6 (а)) описываетсяследующей зависимостью [35], см. также рисунок 1.6: () =√︁( 2 + 4(~ )2 − 2 )2(1.24)где , = ±1 (см. рисунок 1.6). Энергетический спектр представляет собой две бесщелевыегиперболы и две гиперболы с запрещенной зоной (щелью), сдвинутые друг относительнодруга на величину = , как показано на рисунке 1.6 (в) - (д).
Спин электрона вращаетсяв плоскости ( , ) и всегда строго перпендикулярен направлению импульса (рис. 1.6 (б)).1.4Графен на неметаллических и металлических подложках Ni(111), Co(0001). Синтез, описание электронной испиновой структуры.Получение графена методом механической эксфоляции (как упоминалось в параграфе1.2) дает возможность достаточно легко получить отдельные участки монослойного графена,тогда как большая часть полученных чешуек будет представлять собой графитовые слои столщиной в несколько атомных слоев [25, 26]. Поэтому данный метод оказывается непригодным для широкомасштабного производства графена.Другой известный и широко применяемый метод получения графена - метод термическойграфитизации поверхности кристалла ()6-SiC (грань (0001)), имеющего гексагональнуюрешетку [36, 37].
При нагревании SiC(0001) до температур ∼ 950 − 1100∘ С поверхностьпокрывается слоями графена вследствие испарения атомов Si. При этом на одной из сторон монокристалла карбида кремния, а именно, на Si-терминированной поверхности кристалла будет формироваться монокристаллический графен, тогда как на противоположной23C-терминированной поверхности возможно формирование только поликристаллического графена, скорее даже аморфного углерода. Данная процедура синтеза графена на SiC(0001)достаточно сложна и является чувствительной к соблюдению необходимых режимов и параметров процесса. Поэтому в большинстве случаев в результате термического отжига SiCна поверхности формируется несколько слоев графена (два и более).
Электронная структураграфена на SiC(0001) подробно рассмотрена в работах [38,39], показано, что состояния гра¯ вблизи уровня Ферми имеют линейный характер дисперсии, а точкафена в области точки Дирака локализована на ∼ 0.45 эВ ниже уровня Ферми по шкале энергий связи. Спиноваяструктура данной системы была проанализирована в работе [40] при участии сотрудниковлаборатории физической электроники и соискателя. Выявлено отсутствие спин-орбитальногорасщепления Рашбы состояний в графене на SiC(0001).Ввиду существенных недостатков двух вышеописанных методов синтеза графена, рассмотрим следующий метод формирования графеновых покрытий - эпитаксиальный рост графена методом химического осаждения из газовой фазы (CVD) на различных металлическихподложках металлов, который позволяет получать хорошо упорядоченные графеновые покрытия с толщиной порядка одного монослоя [41–48].
На рисунке 1.7 изображено схематичное представление метода CVD для графена и СТМ изображение получаемого даннымспособом высокоориентированного графенового покрытия. Метод CVD для синтеза графенапредставляет собой каталитическую реакцию крекинга углеродсодержащих газов, таких какпропилен 3 6 или этилен 2 4 на нагретой поверхности катализатора - монокристаллической поверхности Ni, Co или других металлов.
При этом большим преимуществом данногометода можно назвать то, что реакция является самоограниченной, то есть после покрытия поверхности металла графеном, реакция останавливается [41]. Детальное описаниеи сравнение морфологии и электронной структуры графена на различных металлических инеметаллических подложках описано в работе [49].В данной работе синтез графена на поверхности монокристалла металла Ni(111) осуществлялся методом CVD, в ходе которого нагретая до температуры T∼ 400∘ С подложкаNi(111)/W(110) выдерживается в вакуумной камере в атмосфере углеродсодержащего газапропилена 3 6 при парциальном давлении 1x10−6 торр в течение 5 минут.
Далее происходит откачка до уровня вакуума 1x10−10 торр и последующий отжиг образца при температуреT∼ 400 − 450∘ С в течение 5 минут. Предварительное формирование монокристаллическойповерхности Ni(111) производилось следующим образом. На атомарно чистую поверхностьW(110) напылялись слои Ni, толщиной порядка 50-100 Å, после чего производился отжигсистемы при температуре T∼ 400∘ С в течение 5 минут. Толщина напыленного Ni слоя оцени-24Рисунок 1.7: (а) - Схематичное представление процесса синтеза графена CVD методомна поверхности монокристалла Ni(111). (б) - СТМ изображение графена на Ni(111), полученное в Ресурсном центре Научного парка СПбГУ “ФМИП” при параметрах = 5 мВи = 0.5 нА и скорости сканирования 47.62 нм/сек.валась с помощью кварцевого резонатора, расположенного в непосредственной близости отобразца.
Монокристалл W(110) предварительно очищался отжигом при T∼ 1100∘ С в атмосфере кислорода при парциальном давлении 5x10−8 торр и последующим кратковременнымпрогревом до T∼ 2000∘ С в условиях сверхвысокого вакуума.Сложность формирования графена на поверхности другого металла Co(0001) заключается в том, что образуется преимущественно разупорядоченный многодоменный графен[46, 50]. И только при условии строгого соблюдения оптимальных параметров возможно добиться хорошо упорядоченного графенового покрытия. Описание CVD метода для синтезаоднодоменного графена на поверхности Co(0001) изложено в недавней работе [50].На рисунке 1.8(а) показана модельная кристаллическая структура графена на поверхности Ni(111), признанная наиболее близкой к реальной структуре в работах [44, 45, 51, 52].СТМ изображение на рис.
1.8(б) показывает хорошо упорядоченную гексагональную решетку графена, вследствие хорошего согласования кристаллических решеток графена и Ni(111).Для изолированного графена постоянная решетки составляет 2.45 Å, что очень близко к постоянной решетки Ni(111) (2.42 Å) и несоответствие двух решеток составляет всего 1.2% [53].При этом атомы углерода находятся в двух неэквивалентных позициях A и В - над атомамиNi из первого и третьего слоя, что приводит к треугольному изображению шестиугольниковграфеновой решетки.Наличие подложки оказывает влияние на электронную структуру графена. На рисунке1.8 (в) представлены экспериментально измеренные дисперсионные зависимости графена,синтезированного на поверхности Ni(111).
Для сравнения на рисунке представлены дисперсионные зависимости объемного графита и показана локализация электронных состояний25Рисунок 1.8: (a) - Модельная кристаллическая структура графена на поверхности Ni(111)[44]. Атомы графена распологаются над атомами первого и третьего слоя Ni (структура top-fcc), (б) - СТМ изображение поверхности графен/Ni(111) [45].(с) - экспериментально измеренная энергетическая зонная структура графен/Ni(111) в направлении -Γ-ЗБ графена [42].
Пустыми (сплошными) кружками показаны дисперсионные зависимости, измеренные при возбуждении HeI (HeII) линиями. Горизонтальными штриховымилиниями показаны зоны Ni(111) вблизи уровня Ферми, измеренные при возбуждении HeIлинией. Пунктиром показаны дисперсионные зависимости для графита.26в электронной структуре Ni в области до 2 эВ ниже уровня Ферми по шкале энергии связи.По сравнению с графитом, электронная структура графена на Ni(111) оказывается сдвинута в сторону больших энергий связи на 2 эВ, что обусловлено гибридизацией состоянийNi с состояниями графена [7, 11, 45].
На рисунке 1.9 представлены экспериментальныедисперсионные зависимости для графена на Ni(111) и Co(0001) [52] измеренные методомфотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением (ФЭСУР) в направлении Γ и ΓЗБ графена. Показано, что вследствие сильного взаимодействия графена с металлическойподложкой, происходит существенная модификация электронной структуры графена и разрушение линейной дисперсионной зависимости состояний графена вблизи точки K ЗБ вобласти локализации состояний Ni (Co). Несмотря на то что конус Дирака сдвигаетсяв сторону больших энергий связи и точка Дирака энергетически располагается уже под состояниями Ni (Co) согласно [52], в непосредственной близости от уровня Ферми состояния оказываются существенно модифицированы гибридизацией с Ni (Co). Однако, как былообнаружено совсем недавно в работе [54], состояния графена, которые расположены рядомс точкой Дирака, при энергии ∼ 3.5 эВ, являются спин-поляризованными.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
