Диссертация (1150742), страница 9
Текст из файла (страница 9)
В частности, для атомов с высокимспин-орбитальным взаимодействием Ir и Os было предсказано формирование примесной зоны вблизи точки возникновения Дирака с частичнозаполненной оболочкой адатомов. Взаимодействие графеновых зон с примесными состояниями вызывает появление запрещенной зоны вблизи точкиДирака. Однако, для адатомов иных материалов (включая висмут) теоретическое исследование в работе [78] не обнаруживает запрещенной зоны.
Вработах [78, 79] выдвигалась идея о формировании двумерной топологической фазы и открытие запрещенной зоны вблизи точки Дирака для графена на SiC(0001), интеркалированного атомами Re и Bi. Расчеты из первыхпринципов показали, что у графена интеркалированного атомами Re появляется за счет спин-орбитального взаимодействия запрещенная зона вокрестности уровня Ферми больше чем 100 мэВ. Расчеты установили влияние спин-орбитальной связи между состоянием графена и состояниямиметалла для формирования запрещенной зоны. В случае интеркаляции атомов Bi (которые не имеют состояний в валентной зоне) топологическаязапрещенная зона не формируется. Исходя из этого, стоит полагать, что62формирование малого спинового расщепления (≤10 мэВ) состояния графена после интеркаляции атомов Bi происходит за счет слабого перекрытияволновых функций графена и состояний Bi.
Слабое взаимодействие между Bi и графеном также подтверждается небольшим сдвигом точки Дирака(по сравнению с идеальным графена), который указывает на незначительный перенос заряда между графеном и Bi–Ni сплавом, образованным намежфазной границе графен-Ni [80, 81]. В то же время, нельзя полностьюисключить топологический характер формирования запрещенной зоны дляисследуемой системы. Возможность формирования топологической фазы всистемах MG/Pb/Ir(111) и MG/Pt(111) была отмечена в [82, 83].
Для графена интеркалированного атомами Pb было экспериментально подтвержденос помощью СТМ-наблюдения генерация серий уровней подобных Ландаууровням за счет внутреннего эффективного псевдо-магнитного поля [82].Причем, особенности электронной структуры в области запрещенной зоныв точке Дирака образовавшейся топологической фазы были проанализированы и обсуждены. Тем самым, в какой-то степени эти особенности могутбыть рассмотрены аналогично случаю MG/Bi/Ni(111).Как известно, что нарушение А–В симметрии в графене изменяет условия интерференции фотоэлектронов в графеновых подрешетках [84] и приводит к конечной величине интенсивности фотоэмиссии из конуса Диракаво 2 ЗБ (так называемого "темного коридора"из изоэнергетических поверхностей) [80].
Когда не нарушена симметрия подрешеток графена, то фотоэмиссия отсутствует из конуса Дирака в пределах 2ойЗБ. Это означает, чтозапрещенная зона формируется за счет усиленного влияния спин-орбитального взаимодействия. Экспериментальная интенсивность состояний конусаДирака в 2ойдаемой для 1ЗБ должна быть значительно меньше по сравнению с наблюойЗБ.Для проверки этой идеи для системы MG/(0.8 ML Bi)/Ni(111) показано63Рис. 3.5. (a) Изоэнергетические поверхности для различных энергий связи MG/Ni(111)после интеркаляции 0.8 ML атомовBi вблизи точки K̄ ЗБ. (б) Распределение интенсивности вблизи точки K̄ ЗБ, построенное в полярных координатах, наблюдаемое для волновоговектора вдоль радиальных разрезов, проходящих через точку K̄ ЗБ.
Окружности обозначают порядок интенсивности в 1ой и 2ой ЗБ.на рис. 3.5а объемное ФЭСУР изображение интенсивности состояний конуса Дирака (см. рис. 3.2). Представленные изоэнергетические поверхностисоответствуют различным энергиям верхнего и нижнего конуса Диракаи ширины запрещенной зоны в точке Дирака. Контуры конусов Диракаимеют треугольную форму, подобную той, которая наблюдается для квазисвободного графена интеркалированного атомами Au [21].
На рис. 3.5бпоказано в полярных координатах распределение интенсивности контуровой состояний в 1ойи2ЗБ. Видно, что распределение интенсивности в по64лярных координатах внутри запрещенной зоны почти однородно (в отличиеот неравномерного распределения в нижнем и верхнем конусе Дирака). Наойпервый взгляд, интенсивность конуса Дирака в 2ЗБ (рис. 3.5б), кажется,близка к нулю из-за эффектов отмеченных в [84]. Однако, более точныеоценки отношения конечных значений интенсивностей состояний конусаДирака, измеренных для полярных углов 0 и 180 градусов при энергиисвязи 2.1 и 2.6 эВ, дают значения 37.6 и 32.6, соответственно.
Эти значения больше порога отношений интенсивности предполагаемых в [80] дляформирования запрещенной зоны из-за нарушения симметрии подрешетокграфена. Эти оценки свидетельствуют о нарушении симметрии подрешетокграфена после интеркаляции атомов Bi и отсутствие в графене топологических поверхностных состояний внутри запрещенной зоны. Этот выводсогласуется с результатами, представленными в работах [78, 79], которыепредсказывают отсутствие топологической запрещенной зоны в графене садатомами Bi и в графене интеркалированного атомами Bi.
С другой стороны, на рис. 3.2 и 3.3 показана слабая зависимость ширины запрещеннойзоны от количества интеркалированного слоя атомов Bi. Действительно, сувеличением концентрации атомов Bi от 0,8 до 1,0 ML, изменяется ширина запрещенной зоны от 210 до 240 мэВ, что не так легко объяснитьтолько с позиции нарушения симметрии. Кроме того, увеличение индуцированного спин-орбитального расщепления для совместной интеркаляции√√Bi и Au вместе с реконструкцией( 3 × 3)30∘ может сформировать хорошую основу для формирования топологической фазы подобно как в случаеграфена интеркалироанного атомами Pb [82].653.2.2. Спиновая структура системы MG/Bi/Ni(111)На рис.
3.6 представлены спектры ФЭСУР со спиновым разрешением состояния графена после интеркаляции 1 ML атомов Bi, записанныепри различных углах эмиссии фотоэлектронов (волновой вектор k‖ ) вдольнаправления Γ̄K̄ ЗБ. Видно что, интеркаляция атомов Bi не приводит кформированию заметного эффекта индуцированного подложкой спин-орбитального расщепления состояния графена, несмотря на высокий атомныйномер висмута (Z = 83). Для лучшей демонстрации спин-орбитальногорасщепления, верхняя часть состояния добавлена также на рис. 3.6.Рис. 3.6.
Фотоэлектронные спектры со спиновым разрешением для графена после интеркаляции 1 ML атомов Bi измеренного при (a) ‖ = 1.41 Å−1 , (б) ‖ =1.63 Å−1 , вдольнаправления Γ̄K̄ ЗБ. Вклады пиков с противоположными ориентациями спина обозначены синими и красными цветами. Энергия фотонов 62 эВ. Измерения проводились прикомнатной температуре.Величина спин-орбитального расщепления состояния графена составляет менее 10 мэВ.
Несмотря на то, что атомный номер висмута сравним сатомным номером золота (Z66= 79) величина индуцированного спин-орбитального расщепления состояния графена существенно меньше по сравнению со случаем интеркаляции атомов Au (Δ ∼100 мэВ) [14, 15]. Этотрезультат подтверждает определяющую роль (–) гибридизации междуграфеном и спин-поляризованными состояниями металла с высоким атомным номером в формировании аномально высокого индуцированного спинорбитального расщепления состояния графена.На основе сравнения величин индуцированного спин-орбитального расщепления при раздельной интеркаляции атомов Au и Bi можно предположить, что их совместная интеркаляция позволит регулировать величинуспин-орбитального расщепления конуса Дирака в диапазоне 10–100 мэВ.3.3. Влияние интеркаляции совместного слоя атомов Auи Bi на электронную и спиновую структуру графенаСовместная интеркаляция атомов Bi и Au под графен на поверхностиNi(111) проводилась двумя способами.
При первом способе первоначальноинтеркалировалось ∼0.5 ML атомов Bi при температуре 300∘ C в течении 5 минут. Затем проводилась та же процедура для ∼0.5 ML атомовAu. При втором способе, сперва интеркалировался 1 ML атомов Bi притемпературе отжига 300∘ C в течении 5 минут. Затем система отжигаласьпри более высокой температуре 350–400∘ C, что позволяло растворить ∼0.5ML атомов Bi в Ni-подложке. Тем самым, формируя на межфазной границеграфен-Ni промежуточный слой атомов Bi ∼0.5 ML. На заключительнойстадии синтеза осаждалось ∼0.5 ML атомов Au c последующим отжигомпри температуре 300∘ C в течении 5 минут (как и при первом способе).Синтез проводился в условиях сверхвысокого вакуума 5 · 10−10 мбар.
Наи67более воспроизводимые экспериментальные результаты были получены прииспользовании первого способа синтеза.3.3.1. Электронная структура системы MG/Bi+Au/Ni(111)На рис. 3.7 представлена серия фотоэлектронных спектров для графена,интеркалированного совместным слоем атомов Bi и Au (первый способ синтеза). Фотоэлектронные спектры были измерены в направлении эмиссии понормали к поверхности образца в точности как на рис. 3.1.
Рис. 3.7а соответствует формированию монослоя графена на поверхности пленки Ni(111),с помощью крекинга пропилена. После интеркаляция ∼0.5 ML атомов Biпод графен, состояние характеризуется двухкомпонентной структурой(рис. 3.7б). Одна компонента расположена при энергии связи 8.7 эВ, другая компонента при 10 эВ.Рис. 3.7. Спектры фотоэмиссии валентной зоны (точка Γ ЗБ) и внутреннего уровня Bi55/2 , записанные на различных стадиях формирования исследуемой системы. Энергияфотонов 62 эВ. Измерения проводились при комнатной температуре.68Фотоэлектронный спектр после напыления ∼0.5 ML атомов Au показанна рис.
3.7в. Напыление атомов Au приводит к появлению в структуревалентной зоне пиков 5 состояний в области энергий связи 2.5-7 эВ иослаблению интенсивности пиков Ni и Bi состояний, локализованныхв области энергий связи 0–3 эВ. Стоит отметить, что двухкомпонентнаяформа состояния графена сохраняется, что свидетельствует о том, чтопосле напыления атомы Au локализованы на поверхности системы и неинтеркалируются при комнатной температуре.После отжига при при температуре 300∘ C форма пика состояния графена определяется только одной компонентой при энергии связи 8.7 эВ(рис. 3.7г). Этот факт свидетельствует о дополнительной интеркаляцииатомов Au под графен (заполнению свободных вакансий свободных от интеркалированных атомов Bi) и формированию завершенного комбинированного Bi–Au слоя.
В результате совместной интеркаляции атомов Bi и Auимеет место полная «блокировка» сильной связи графена с Ni-подложкойза счет формирования сплошного комбинированного слоя. Стоит отметить,что изменяется также электронная структура 5 состояний Au. Имеет место небольшой сдвиг состояний в сторону уменьшения энергии связи.Это также свидетельствует о частичном взаимодействии атомов Au с Niподложкой.Одновременно с модификацией электронной структуры валентной зоны на различных стадиях синтеза на рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
