Диссертация (1150502), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Это связано стем, что электронная структура Co(0001) характеризуется характеризуется различной плотностью электронных состояний для противоположных направлений спина вблизи уровняФерми. Зона электронных состояний Co(0001) с одним направлением спина (majority-spin)расположена ниже уровня Ферми при энергии связи примерно от ∼ 0.5 до 4.5 эВ (при ‖ =0).При этом зона состояний с противоположным направлением спина (minority-spin) локализована от ∼ 3 эВ и простирается выше уровня Ферми. Поэтому состояния при ∼ 3.5 эВэнергии связи оказываются в энергетической запрещенной зоне для одного из направленийспина (minority-spin) и соответственно, оказываются спин-поляризованными. Одновременнос этими исследованиями, в работе [50] было обнаружено, что при формировании хорошоупорядоченного однодоменного графена, на уровне Ферми при энергии связи до ∼ 0.5 эВдля системы графен/Co(0001) образуется Дираковский “мини-конус”, образованный спинполяризованными состояниями. Данные исследования открывают новые возможности применения графенсодержащих систем на основе ферромагнитных металлов в наноэлектроникеи спинтронике.
Новым результатам по исследованию графена на ферромагнитных подложкахбудет посвящена Глава 6 данной диссертации.27Рисунок 1.9: (a) - Электронная структура и дисперсионные зависимости для графена наNi(111) и (б) - графена на Co(0001), измеренные методом ФЭСУР в Γ и Γ направленияхЗБ графена (энергия фотонов 62 эВ),(в) - Дираковский конус, измеренный в направлении,перпендикулярном Γ для графен/Ni(111) и (г) - графен/Co(0001) (энергия фотонов 62эВ) [52].281.5Интеркаляция как способ модификации электроннойструктуры графенаВ литературе широко известно явление интеркаляции чужеродных атомов или молекулв пространство между графитовым плоскостями.
Слабая связь и большое расстояние междусоседними плоскостями в графите позволяют легко формировать соединения на основе графита без разрушения структуры графитовой матрицы. В результате интеркаляции формируется т.н. интеркалированный графит, основная структура которого определяется графитовойматрицей, а электронные свойства могут варьироваться в зависимости от количества и сортаинтеркалированных атомов [55, 56].Аналогичным образом можно и представить интеркаляцию атомов различных металловпод графен, синтезированный на подложке.
На рисунке 1.10 представлено схематичное изображение процесса интеркаляции атомов металла под графен на Ni(111). Атомы металла напыляются на поверхность графена и при определенных температурных условиях проникаютв межслоевое пространство между графеном и подложкой [43]. Исторически первыми подграфен на Ni(111) были интеркалированы атомы щелочных металлов (K, Na, Cs) [42]. Затем последовала серия работ по исследованию интеркаляции благородных и редкоземельныхметаллов под графен/Ni(111) [57–64]. Позже была исследована также возможность интеркаляции различных металлов под графен на SiC(0001) [65, 66].Рисунок 1.10: Схематичное представление процесса интеркаляции атомов металла подграфен, синтезированный на поверхности Ni(111).Как было показано в параграфе 1.4, электронная структура графена, синтезированного на поверхности Ni(111) оказывается существенно искажена по сравнению с электроннойструктурой “квазисвободного” графена вследствие сильной гибридизации с подложкой.
Ли¯ нарушается, см. рисунок 1.9. Однаконейный характер зависимости () в области точки интеркаляция атомов различных металлов приводит к модификации электронной структуры29графена. Интеркалируемый металл блокирует сильное ковалентное взаимодействие графенас Ni подложкой. Если в электронной структуре интеркалируемого металла нет состоянийвблизи уровня Ферми, то мы можем наблюдать восстановление линейного конуса Дирака¯ как показано на рисунке 1.11. Также возможен сдвиг точки Дирака в сторонув точке ,больших или меньших энергий связи, связанный с переносом заряда между атомами графена и интеркалируемого металла или возможно открытие запрещенной зоны в точке Дирака,обусловленное различными факторами, в том числе корругациями графена и нарушениемсимметрии подрешеток из атомов типа A и B в структуре графена.Рисунок 1.11: Модификация электронной структуры графена и конуса Дирака состояний при интеркаляции (а) - Cu, (б) - Ag, (в) - Au [64].При этом напрямую синтезировать графен на металлических поверхностях благородных,редкоземельных, щелочных металлов весьма затруднительно, а зачастую и невозможно технически.
Таким образом, синтезируя графен хорошо отработанным способом на ферромагнитной подложке (или SiC), а затем интеркалируя атомы нужного сорта под графен, мыможем модифицировать электронную и спиновую структуру графена и исследовать влияниеатомов интеркалируемого металла на нее.В работе [63] для характеризации взаимодействия графена с металлами разделяют хемосорбцию и физосорбцию.
Хемосорбция характерна для графена, синтезированного на поверхности Ni, Co, Pd и обусловлена сильным химическим взаимодействием графена с металлической подложкой. В этом случае, как было описано в параграфе 1.4, происходит разрушениелинейного конуса Дирака состояний графена в области точки K ЗБ. Кроме того, наблюдается понижение работы выхода металла при хемосорбции графена. Физосорбция графенахарактерна для Al, Ag, Cu, Au, Pt металлов. При этом линейный конус Дирака сохраняется,30но может происходить перенос заряда между атомами металла и графена, который приводитк заполнению антисвязывающих * состояний и сдвигу точки Дирака в сторону большихэнергий связи.Глава 2Экспериментальные методыисследованияДля исследования электронной энергетической структуры и индуцированной спиновойполяризации электронных состояний низкоразмерных систем в работе использовались следующие экспериментальные методы исследования поверхности: рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС) – для элементного и химического анализа поверхности; фотоэлектронная спектроскопия с высоким угловым и спиновым разрешением (ФЭСУР) – дляисследования электронной и спиновой структуры электронных состояний валентной зоны;дифракция медленных электронов (ДМЭ) – для изучения кристаллической структуры поверхности и для ориентации образца в требуемом направлении зоны Бриллюэна (ЗБ) дляизмерения дисперсионных зависимостей электронных состояний методом ФЭСУР; сканирующая туннельная микроскопия с атомным разрешением (СТМ) – для анализа атомнойструктуры поверхности.Совокупность данных методов позволяет получать наиболее полную информацию о структуре заполненных электронных состояний поверхности исследуемых систем.2.1Фотоэлектронная спектроскопия (ФЭС)Метод фотоэлектронной спектроскопии (ФЭС) основан на явлении фотоэффекта и заключается в возбуждении электромагнитным излучением с энергией ~ электронов твердого тела из начального заполненного состояния в конечное незаполненное состояние иизучении энергетического спектра эмитируемых электронов.
Рассмотрим схему проведения3132эксперимента. Простейшая энергетическая диаграмма процесса фотоэмиссии представленана рисунке 2.1 (а).Рисунок 2.1: (а) - Энергетическая диаграмма процесса фотоэмиссии. (б) - Энергетическая диаграмма, показывающая формирование электронного спектра из спектра возбужденных электронов, вышедших в вакуум без рассеяния, и хвоста рассеянных электронов [67].Пусть на поверхность твердого тела падает монохроматический пучок фотонов с энергией ~.
Проникая в твердое тело, фотон может быть поглощен электроном твердого тела и вслучае, если энергия возбужденного электрона больше работы выхода из твёрдого тела , тоданный электрон может выйти в вакуум и могут быть зарегистрированы энергоанализатором.
Вылетевшие в вакуум электроны называются фотоэлектронами. При этом кинетическаяэнергия возбужденного фотоэлектрона определяется выражением: = ℎ − − (2.1)где ℎ – энергия падающего фотона (эВ), – энергия связи возбужденного электрона (эВ), – работа выхода (эВ).Таким образом, анализируя энергетическое распределение зарегистрированных фотоэлектронов, можно получать прямую информацию о заполненных электронных состояниях твердого тела, благодаря чему метод фотоэлектронной спектроскопии успешно применяется дляподобных исследований, как это будет показано в данной диссертации.Существует два основных теоретических подхода к описанию процесса фотоэмиссии втвердом теле.
Первое - это одноступенчатая модель, предложенная в работе [68] и затем33развитая в [69], которая рассматривает переход электрона из начального связанного состояния, принадлежащего кристаллу, в конечное состояние в вакууме в результате процессафотоэмиссии. Это означает, что в одноступенчатой модели фотоэлектрон описывается какволна, которая свободно распространяется в вакуум, но быстро затухает при движении отповерхности в объем.
Другая, так называемая трехступенчатая модель (модель Берглунда иСпайсера) [70, 71] разделяет процесс фотоэмиссии на 3 этапа:1. Возбуждение фотоэлектрона твердого тела фотоном2. Транспорт возбужденного фотоэлектрона к поверхности твердого тела3. Выход фотоэлектрона в вакуум.Трехступенчатая модель является несколько искусственной, по сравнению с одноступенчатой, т.к.
только конечная волновая функция может быть определена экспериментально.Однако, разделение в рамках модели на три самостоятельных этапа может значительноупростить понимание процесса фотоэмиссии.На первом этапе электрон поглощает энергию, передаваемую ему фотоном, и переходитиз своего начального состояния в твердом теле в свободное конечное состояние вышеуровня Ферми .
На втором этапе возбужденный фотоэлектрон движется к поверхности твердого тела. Во время движения электрон может испытывать рассеяние вследствиеэлектрон-электронного или электрон-фононного взаимодействия. Испытав рассеяние, электрон может потерять часть энергии, в результате чего фотоэлектронный спектр приобретаетвид, представленный на рисунке 2.1 (б). Спектр вышедших в вакуум фотоэлектронов представляет собой пики, обусловленные электронами, которые вышли в вакуум без рассеяния,на фоне (хвосте) неупруго-рассеянных электронов.Расстояние, которое электрон проходит в твердом теле до первого акта неупругого рассеяния называется длиной свободного пробега электрона () и данная величина зависит отэнергии.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
