Диссертация (1150742), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Поэтому разработка и реализация высокоэффективных и экономически выгодных методов синтеза графена относится к одной из актуальных про23Рис. 1.5. Схематическое представление крекинга пропилена (C3 H6 ) на нагретой поверхности Ni(111) (из работы [48]).блем современной наноэлектроники и спинтроники. Детальное исследование процесса синтеза графена на тонких слоях металлов на основе толькопроцесса сегрегации было проведено в 4 главе настоящей работы.1.3. Интеркаляция атомов металловУпомянутые выше методы синтеза формируют графен на определенныхподложках. Наиболее распространённой подложкой для роста графена спомощью крекинга углеродсодержащих газов, за счёт хорошей согласованности параметров кристаллических решёток, является поверхность Ni(111)[27, 28].
За счёт сильного взаимодействия графена с подложкой происходит модификация электронной и спиновой структуры. Например, длясистемы MG/Ni(111) в точке Γ̄ состояние графена, оказывается сдвину24тым на 2 эВ в сторону больших энергий связи. Причём, в окрестноститочки K̄ дисперсия имеет параболический характер. Между - и * - состояниями открывается запрещенная зона ∼2.5 эВ. Формирование подобнойэлектронной структуры связано с сильным ковалентным взаимодействием состояния графена с состояниями Ni, которое приводит к образованиюгибридизованных связывающих и разрыхляющих – состояний [15, 16].Особенности электронной структуры системы MG/Ni(111) показаны на рис.1.7а.Для уменьшения взаимодействия применяют процедуру интеркаляцииатомов различных металлов в пространство между монослоем графена иподложкой.
Одним из классических примеров модификации электроннойструктуры системы MG/Ni(111) является интеркаляция 1 ML атомов Au[21]. Cхема эксперимента на примере интеркаляции атомов Au представлена на рис. 1.6. Эту схему можно обобщить на внедрение атомов другихметаллов.На поверхность графена, сформированного на какой-либо подложке,осаждается при комнатной температуре пленка металла. Затем системуотжигают при определённых температурах.
Температура прогрева подбирается исходя из физико-химических свойств напыленных атомов [46, 47].Стоит отметить, что интеркаляция графена может быть реализована большим классом химических элементов, включая интеркаляцию газов [49].В результате интеркаляции атомов Au ветвь состояния графена сдвигается в сторону уменьшения энергии связи на 2 эВ, что свидетельствуето блокировке сильного ковалентного взаимодействия графена с подложкойNi(111). Точка Дирака расположена на , а характер дисперсионной зависимости становится линейным (рис. 1.7б). Электронная структура графенастановится подобной электронной структуре свободного графена.
Однако,как видно из рис. 1.7б в данной системе имеет место гибридизация со25Рис. 1.6. Схематическое представление процесса интеркаляции атомов золота (из работы[48]).стояния графена с 5 состояниями Au в области энергии связи 3–7 эВ,с образованием локальных разрывов дисперсионных зависимостей вследствие эффекта «непересечения» электронных состояний и формированиемсоответствующих разрыхляющих и связывающих (–) состояний [14–16].Подобные модификации электронной структуры графена, за счёт внедрения атомов золота, обуславливают модификацию спиновой структуры.1.4. Спиновая структура графенаДля квазисвободного графена величина величина спин-орбитальногорасщепления меньше 1 мэВ.
В работе [17] показали, что состояние графена на подложке Ni(111) имеет нулевую спиновую поляризацию. На рис.1.8 представлен спектр ФЭСУР со спиновым разрешением для графена,26Рис. 1.7. Сравнение дисперсионных зависимостей в направлении Γ̄K̄ ЗБ для систем: (а)MG/Ni(111), (б) MG/Au(1ML)/Ni(111) (из работы [21]).синтезированного крекингом пропилена (C3 H6 ) на поверхности Ni(111), внаправлении Γ̄M̄ ЗБ.Однако в работе [15], посвященной интеркаляции благородных металлов, было обнаружено аномально высокое индуцированное спин-орбитальное расщепление (∼100 мэВ) состояния графена при взаимодействии снижележащим монослоем Au, которое увеличивалось в области гибридизации электронных состояний. В соответствии с этим эффектом ветви состояний графена с различным направлением спина вследствие гибридизации взаимодействуют с 5 состояниями Au с таким же направлениемспина, которые исходно расщеплены по спину на величину ∼0.7 эВ.
Этоприводит к аномально высокому спин-орбитальному расщеплению состояния графена при их пересечении с 5 состояниями Au. При этом в области вне зоны пересечения данных состояний, т.е. в области линейности состояний графена, спин-орбитальное расщепление также наблюдается с27Рис. 1.8. Спектр ФЭСУР со спиновым разрешением для графена, синтезированного крекингом пропилена на поверхности Ni(111), в направлении Γ̄M̄ ЗБ. Синим цветом выделенспектр с направлением спина вверх, красным цветом выделен спектр с направлениемспина вниз.
Внизу рисунка зеленым цветом показана спиновая поляризация для данногоспектра (из работы [17]).немного меньшей величиной. Предполагалось, что наблюдаемые эффектыв значительной степени определяются гибридизацией электронных состояний подложки и графена [14, 15], а также влиянием внутриатомного градиента потенциала подложки с высоким атомным номером. В частности, в тойже работе было показано, что величина спин-орбитального расщепления состояния графена при взаимодействии с нижележащим монослоем Сu менее 10 мэВ [15]. В работах не приводится разделения условий приводящихк эффекту индуцированному подложкой спин-орбитальному расщеплению состояния графена. Для целенаправленного создания устройств в спинтронике с необходимой величиной спин-орбитального расщепления необходимо проведение исследований по определению роли влияния каждого изусловий.
Данное исследование было проведено в 3 главе настоящей работы.28Глава 2Экспериментальные методы и оборудование2.1. Экспериментальные методы2.1.1. Фотоэлектронная спектроскопияФотоэлектронная спектроскопия является самым распространенным методом для изучения электронной структуры заполненных состояний наповерхности и в приповерхностной области. Физической основой методаявляется фотоэлектрический эффект. Метод основан на явлении фотоэффекта. Если на тело направлен поток фотонов с энергией ~, то в нёмможет произойти процесс фотовозбуждения электронов, вследствие поглощения квантов света.
Такой электрон называется фотоэлектроном. Данныйпроцесс возможен в любом фазовом состоянии вещества, в нашем рассмотрении ограничимся случаем твердого тела. Если кинетической энергии фотоэлектрона достаточно для преодоления потенциального барьераΦ на поверхности, то фотоэлектрон может покинуть твёрдое тело и бытьдетектирован.
Величина Φ называется фотоэлектронной работой выхода.Зачастую, она имеет величину порядка нескольких электрон-вольт и определяется электронной структурой твёрдого тела, а также строением егоповерхности. Кинетическая энергия вышедшего фотоэлектрона определяется уравнением фотоэффекта:кин = ~ − связи − Φ,(2.1)Φ = вакуум − F .(2.2)где29Рис. 2.1. Схематическая диаграмма процесса фотоэмиссии.
Показано соответствие между плотностью заполненных состояний ( ) в металле и спектром фотоэмиссии ( ),проинтегрированного по углам.Таким образом, определив кинетическую энергию фотоэлектрона и знаявеличину энергии фотона, можно получить прямую информацию об электронной структуре исследуемой системы [50].Остовные уровни в спектрах ФЭС, проявляются в виде отдельных пиков, положение которых определяется энергией связи электронов. Тем самым являясь характеристикой данного элемента. Т.е.
присутствие пиковпри определенных энергиях является свидетельством наличия в поверхностной области данного элемента. Интенсивность пиков свидетельствуето концентрации элементов на поверхности исследуемой системы, а энергияпиков содержит информацию о химическом состоянии атомов на поверхности. Реальная картина процесса фотоэмиссии может отличаться от той, чтопредставлена на рис. 2.1. Помимо пиков возбужденных нерассеянных фото30электронов в спектре ФЭС присутствуют и другие особенности, такие какнепрерывный фон рассеянных электронов, Оже-пики и пики плазменныхпотерь, которые могут сильно сказываться на форме спектра.В лабораторных условиях ФЭС реализуется в двух энергетических диапазонах, которые из-за широкого энергетического промежутка между нимиподразделяются на:– РФЭС (рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия);– УФЭС (ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия).В УФЭС применяют газоразрядные источники излучения (например,HeI и HeII энергия фотонов 21.2 и 40.8 эВ, соответственно), а в РФЭС широко применяют рентгеновские трубки, использующие излучение линийнекоторых элементов (в основном это Mg и Al, энергия фотонов 1253.6 и1486.6 эВ, соответственно).
С недавних пор огромное практическое применение находит использование источника фотонов непрерывного спектра,которым является синхротронное излучение (СИ), получаемое при ультрарелятивистском движении заряженных частиц в накопительных кольцах.С помощью монохроматора можно получить монохроматическое излучениес определенной энергией фотонов в диапазоне от 10 эВ до 10 кэВ. Использование СИ позволяет получать монохроматическое излучение с высокимэнергетическим разрешением и высокой интенсивности.Таким образом, в РФЭС используется излучение с энергией фотонов вдиапазоне 100 эВ – 10 кэВ для анализа внутренних или остовных уровней,а в УФЭС энергия фотонов выбирается в диапазоне 10–100 эВ для анализавалентной зоны и зоны проводимости.
Несмотря на различие в величинеэнергий фотонов, физические процессы, лежащие в основе данных методов,одинаковы и основаны на формуле 2.1.31Простейшей моделью для описания процесса фотоэмиссии является теория Фаулера (трехступенчатая модель) [50, 51]. В этой модели выделенытри стадии фотоэмиссии:– фотовозбуждение электрона в твёрдом теле;– транспорт электронов по направлению к поверхности твёрдого тела;– эмиссия электронов в вакуум через поверхностный потенциальныйбарьер.Все стадии трехступенчатой модели рассматриваются независимо другот друга.На первом этапе происходит переход электронной подсистемы в возбуждённое состояние за счёт поглощения фотона с энергией (~).
Учет законасохранения энергии означает, что энергетическое распределение электронов после фотовозбуждения, будет повторять энергетическую структуруисследуемой системы, сдвинутой на величину энергии возбуждения. Еслидо поглощения фотона, в начальном состоянии i, электрон имел энергию(⃗ ), то после поглощения, в конечном состоянии j его энергия станетравной (⃗ ) + ~. Закон сохранения энергии можно записать следующимобразом:(⃗ ) = (⃗ ) + ~.(2.3)Вероятность такого перехода в рамках одноэлектронного приближения описывается золотым правилом Ферми [50, 52]:⃒22 ⃒⃒⃒^ =⃒< || >⃒ ( − − ~),~(2.4)^ — гамильтониан взаимодействия между электроном и векторнымгде ⃗ фотона.потенциалом 32Вторым этапом трехступенчатой модели является транспорт электроновпо направлению к поверхности твёрдого тела. Глубина выхода определяетсяпроцессом неупругого рассеяния электронов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
