Диссертация (1150742), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Базовое давление в аналитической камере лучше чем 1 · 10−10мбар. В аналитической камере расположено следующее оборудование:– сканирующий зондовый микроскоп VT AFM XA 50/500;– устройство для подготовки игл для СТМ.В камере подготовки образцов расположено следующее оборудование:– четырёхсеточный дифрактометр медленных электронов Omicron совстроенным Оже-электронным спектрометром;– 4-осевой манипулятор VG Scienta с прогревом до 750∘ C посредствомтеплового излучения и возможностью прогрева проводящих образцовпосредством пропускания постоянного тока;– ионная пушка ISE 5 для травления поверхности образцов (энергияпучка: от 0.3 до 5 кэВ, ток пучка: до 80 мкА при 5 кэВ и 25 мкА при0.5 кэВ, размер пятна: 10 мм при 5 кэВ, 15 мм при 1 кэВ).В модуле Omicron реализованы следующие методы исследования:– Сканирующая туннельная микроскопия;– Атомно-силовая микроскопия (АСМ);48– Дифракция медленных электронов;– Оже-электронная спектроскопия.В рамках диссертационной работы на данном экспериментальном комплексе была исследована морфология поверхности графена на тонких пленках металлов на поверхности HOPG.2.2.3.
Станция фотоэлектронной спектроскопии с угловым испиновым разрешением PHOENEXSЧасть измерений с помощью ФЭСУР со спиновым разрешением былипроведены в центре вывода СИ BESSY-II (Гельмгольц-центр, Берлин) наканале U125-2SGM на экспериментальной станции PHOENEXS (PHOtoEmissionand NearEdge X-ray abSorption) (см. рис. 2.9а). Энергию фотонов на канале вывода СИ U125-2SGM можно было варьировать в пределах от 62 до150 эВ. Станция состоит из трёх камер, имеющих независимые системыоткачки: аналитической камеры, камеры подготовки образцов, и камерызагрузки образцов. Базовое давление в аналитической камере лучше чем8 · 10−10 мбар.В приборе расположено следующее оборудование (см. рис.
2.9б):– Энергоанализатор Specs Phoibos 150 со спин-детектором;– 5-осевой моторизированный манипулятор;– Станция для прогрева образцов;– Линии напуска газов;– Система перемещения образцов в камере без нарушения сверхвысоковакуумных условий;49Рис. 2.9. (a) Общий вид экспериментальной станции PHOENEXS. (б) Cхема экспериментальной станции PHOENEXS.– Дифрактометр Specs ErLEED 150.В данном приборе реализованы следующие методики:– Фотоэлектронная спектроскопия с угловым и спиновым разрешением;– Дифракция медленных электронов.В рамках диссертационной работы на данной экспериментальной станции был проведен синтез и анализ электронной структуры системы графен/Bi с помощью ФЭСУР со спиновым разрешением.50Глава 3Определение ключевого условия дляформирования гигантского индуцированногоспин-орбитального расщепления в графене3.1.
Подготовка поверхности монокристалла W(110) иформирование графенаДля формирования исследуемой системы использовался в качестве монокристаллической ориентирующей подложки монокристалл W(110). Получение чистой поверхности W(110) происходило в две стадии: (а) первоначальный отжиг при температуре около 1000∘ C в атмосфере кислорода(O2 ) при парциальном давлении 5 · 10−8 мбар в течение 20–30 минут дляудаления углеродных загрязнений и (б) серия высокотемпературных вспышек до температуры около 1700–1900∘ C в условиях сверхвысокого вакуумадля удаления адсорбированных атомов кислорода. После этого проводился контроль качества поверхности W(110) по всей поверхности образца спомощью ФЭС в области 4 электронного уровня вольфрама.
Поверхностьвольфрама считалась чистой, когда у линий дублета появлялось ярко выраженные расщепление на две компоненты. Одна компонента соответствуетвольфраму в объеме кристалла, вторая компонента – атомам поверхности.Данная процедура повторялась по необходимости.На чистую поверхности W(110) осаждалась пленка Ni(111), порядка 70– 80 Å со скоростью 1 Å/мин. Толщина определялась с помощью кварцевыхмикровесов.Графен формировался на пленке Ni(111) в процессе крекинга пропи51лена (С3 H6 ) [15, 21, 31, 68]. При температуре подложки 500∘ C в камеру подготовки напускался пропилен до парциального давления пропилена1 · 10−6 мбар с последующей экспозицией в течение 5 – 10 минут.
Послесистему отжигали еще в течение 5 минут в условиях сверхвысокого вакуума при температуре 500∘ C. При этих условиях происходит распад молекулпропилена на поверхности никеля и адсорбция большого количества углерода с последующим формирование графена. Формирование продолжаетсядо тех пор, пока остаются непокрытые участки никеля, после чего процессостанавливается. Таким образом, особенностью процесса крекинга пропилена является самоограниченность при формировании графенового слоя.3.2. Влияние интеркаляции атомов Bi на электронную испиновую структуру графенаДля интеркаляции атомов Bi под графен на поверхности Ni(111), осаждались при комнатной температуре пленки Bi различной толщины с последующим прогревом при температуре 300∘ C.3.2.1.
Электронная структура системы MG/Bi/Ni(111)На рис. 3.1 представлена серия фотоэлектронных спектров (соответствующая центру поверхностной зоны Бриллюэна), измеренных в направленииэмиссии по нормали к поверхности образца на различных стадиях формирования исследуемых систем: после нанесения на поверхность W(110)монокристаллической пленки Ni(111) – (a), после формирования монослояграфена на поверхности данной пленки, с помощью крекинга пропилена –(б), непосредственно после напыления 2 ML атомов Bi на поверхность системы MG/Ni(111) – (в) с последующим отжигом при температуре 300∘ C –52(г) и для системы с суммарной толщиной предварительно нанесенного слояBi с толщиной 4.5 ML с последующим прогревом при температуре 300∘ C– (д), для системы с последующей деинтеркаляцией части атомов Bi изпод графена – (е).
Все фотоэмиссионные спектры на рис. 3.1 измерены приэнергии фотонов 62 эВ при комнатной температуре.Графен, синтезированный на поверхности Ni(111) (рис. 3.1б), характеризуется пиками состояний Ni с энергиями связи 0.5 и 1.5 эВ и ярковыраженным пиком состояния графена с энергией связи 10 эВ. Сильныйсдвиг энергии связи пика состояния графена (по сравнению с графитоми квазисвободным графеном) свидетельствует о сильном взаимодействииграфена с Ni-подложкой [15, 16, 20, 21]. В спектре также можно выделитьслабые особенности при энергии связи 5 эВ, соответствующие состояниям графена.Напыление атомов Bi на поверхность графена (рис. 3.1в) приводит к появлению особенности в области энергии связи 8.3 эВ, соответствующей состоянию графена, слабо связанного с подложкой.
При этом пик состояния сдвигается на 0.3 эВ в сторону уменьшения энергий связи (9.7 эВ).Одновременно с этим в области близкой к состояниям Ni, при энергиисвязи 3.5 эВ, формируется пик, соответствующий состояниям Bi. Тотфакт, что уже при первом напылении атомов Bi появляется пик состояния графена с энергией связи 8.3 эВ свидетельствует о частичной интеркаляции атомов Bi под графен уже при комнатной температуре. При прогреве системы с различными концентрациями адсорбированной пленки Biдо 300∘ C (рис. 3.1г,д) имеет место интеркаляция атомов Bi в пространствомежду графеном и Ni-подложкой.
При этом наблюдается обратный сдвигдвухпиковой структуры состояния графена в сторону больших энергийсвязи до значений энергии связи 8.7 и 10 эВ. Суммарная толщина предварительно осажденной пленки Bi на поверхность системы MG/Ni(111) при53этом составляла 2 и 4.5 ML, соответственно.Рис.
3.1. Спектры РФЭС, записанные на различных стадиях формирования исследуемойсистемы.Увеличение концентрации осажденной пленки Bi с последующим прогревом приводит, в конечном итоге, к формированию сплошного монослояатомов Bi под графеном (рис. 3.1д). Такой системе свойственно формирование одиночного пика состояния с энергией связи 8.7 эВ, близкой кэнергии связи, наблюдаемой при интеркаляции благородных металлов подграфен [15, 16, 18, 19, 69].
При этом на рис. 3.1д можно отметить весьма небольшой вклад от состояния с энергией связи в области энергий10 эВ. Вклады состояния с различными энергиями связи, т.е. от областей с интеркалированными атомами Bi и областей с прямым контактомграфена с Ni-подложкой, показаны на рис. 3.1 красным и зеленым цветом,соответственно.54Из анализа представленных спектров видно, что при переходе от системы с осажденной на графен пленки Bi к системе с интеркалиронным слоематомов Bi под графен, происходит одновременный сдвиг энергетическогоположения пиков состояния, а также состояний Bi. Стоит отметить,что при этом пики состояния графена и состояния Bi сдвигаются впротивоположные стороны. Наличие разнонаправленных химических сдвигов позволяет предположить, что при осаждении пленки Bi на поверхностьграфена имеет место перенос заряда между графеном и Bi, ввиду разницыв работах выхода между этими материалами.
Напыление атомов Bi приводит к –типу проводимости в графене, т.е. перенос заряда от графенак Bi, по сравнению с первоначальной системой MG/Ni(111). Аналогичныйсдвиг особенностей электронной структуры (сдвиг точки Дирака в сторонууменьшения энергии связи наблюдался в работе [70] при напылении Bi награфен, синтезированный на поверхности SiC).После интеркаляции атомов Bi формируется Bi–Ni поверхностный сплавпод графеном. Перенос заряда между Bi и графеном становится пренебрежимо малым.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
