Особенности электронной и спиновой структуры низкоразмерных систем на основе углерода и атомов различных металлов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования "САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ"

На правах рукописи

МАРЧЕНКО Дмитрий Евгеньевич

Особенности электронной и спиновой структуры низкоразмерных систем на основе углерода и атомов различных металлов.

01 04.07 - Физика конденсированного состояния АВТОРЕФЕРАТ

7Г (-ТТЛ -Г;'Г

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

005558018

Санкт-Петербург - 2015

005558018

Работа выполнена в Санкт-Петербургсксм lue. лup огненном унш.ерситет

Научный руководитель: доктор физико-матгл.зтических ^зу? . профессор

кафедры элгктроиикй тьердо™ лда С:ч!К(-ПетерРургсхого -.хсудзретяечюго университета Шикни Александр \!и:-зй.г.о!и;ч

Официальные оппоненты: доктор физшсо-матсматическыл чцук, зяаед%ю!дий

отделом технологий ¡; измерений атомного масштаба Федерального государственно! о 6:<w-:eY него учреждения ч.л'ки Института общ* й физики им. AM. Прохорова Российской акадьчии наук К.тьцой Константин Нлхо.глемп

доктор фшико-матемап ичесм-д игук. доцент, ст. кауча. coip. Федерального государственного бюджетного учрс/к>1еш;я науки Института фч<ики полупроводников им. A.B. Ржаноьа Сибирского отделения Российской академии наук Терещенко Олег Евгеньевич

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, г. Санкт-Петербург-

Защита диссертации состоится « 26 » марта 2015 года в 11:00 на заседании диссертационного совета Д 212.232.33 по защите докторских и кандидатских диссертаций, созданного на базе Санкт-Петербургского государственного, университета, по адресу: 1У8504, г. Санкт-Петербур=, ул. Ульяновская, д.1, физический факультет СПбГ'У, малый конференц-зал. С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке им. М. Горького СП6ГУ и на сайте Санкт-Петербургского государственного университета spbu.ru

—_ —¿a"

Ученый секретарь ' /

диссертационного совета Д 212.232.33,

к. ф.-м. н., доцент .• /о?' ' Поляничко A.M.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. , ; ••... . .

Диссертация . посвящена^ исследованию возможности контроля величины спинового расщепления , электронных состояний графена в очень широком диапазоне величин. Такая задача имеет большую научную теоретическую и практическую значимость, так как возможность контроля спинового расщепления открывает путь для применения графена в спинтронике. Графен -двумерный слой атомов, углерода толщиной в один атом, упорядоченных в гексагональную кристаллическую решётку. Известен он был давно, но большую популярность получил после'того, как Андреем Геймом и Константином Новосёловым в .2004 году был предложен метод получения слоев графена механическим отшелушиванием при помощи липкой ленты [1]. Данное открытие стало значительным толчком к большому количеству новых исследований графена. В связи с его очень высоким качеством и гексагональной кристаллической решеткой, содержащей два атома в элементарной ячейке, графен имеет уникальные электронные, оптические и механические свойства. Он имеет очень " высокою подвижность носителей заряда [2] и является многообещающим1 материалом' для создания баллистического транзистора [3], полевого транзистора [1,4], прозрачных электродов [5], ультраконденсаторов [6] и многих других прйложёнйй. Электронные структуры на основе графена по праву относят к области наноэлектроники в связи с его малой толщиной всего в один атом, а также .в связи с возможностью создания наноразмерных электронных устройств на его основе.

Эффект Рашбы связан со,спин-орбитальным взаимодействием и важен для спинтроники, так как он создаёт спиновую поляризацию электронных состояний в немагнитных системах. Эффект был открыт Э. И. Рашбой и опубликован в 1960м году [7]. Проявляет он себя в первую очередь в случае систем с двумерным электронным газом, таких как поверхностные состояния металлов, квантовые ямы, полупроводниковьле гетероструктуры, тонкие металлические плёнки. Появляется эффект Рашбы в присутствии внешнего электрического поля, перпендикулярррго к плоскости двумерного электронного газа, или при наличии нарушенной инверсной симметрии, например, за счёт подложки [7,8]. Спин-орбитальное 1 взаимодействие может быть использовано для достижения эффективной фильтрации электронов по спину [9] и для реализации спинового полевого транзистора [10].

Актуальность данной диссертации заключается в первую очередь в том, что в ней исследуется теоретически' и успешно реализуется экспериментально объединение двух вышеперечисленных тем: графена и спин-орбитального расщепления. Исследовано большое количество различных материалов и сделаны выводы о том, взаимодействие- с какими подложками приводит к формированию'графёнового слоя со спин-орбитальным взаимодействием очень малой величины, а с какими, к наблюдаемой экспериментально и подходящей для практического использования спиновой поляризации Дираковских фермионов электронной структуры графена. Транспортные свойства графена с

индуцированным спин-орбитальным расщеплением электронных состояний активно исследовались теоретически в последние годы и были сделаны важные предсказания: спиновый эффект Холла [11], квантовый спиновый эффект Холла [12] и, при наличии обменного взаимодействия, квантовый аномальный эффект Холла [13]. Эффект Рашбы в графене так же увеличивает рассчитанную температуру Кондо адсорбированных примесей [14].

Цель диссертационной работы.

Целью диссертационной работы является теоретическое и экспериментальное исследование возможности формирования графена с большой величиной спинового расщепления конуса Дирака в электронной структуре графена. Конусы Дирака находятся около уровня Ферми и отвечают за уникальные электронные свойства графена. Целью так же является исследование условий, от которых зависит величина спинового расщепления, для возможности формирования графена с необходимой величиной расщепления его электронных состояний в зависимости от поставленной задачи.

Научная новизна.

Работа содержит новые экспериментальные результаты и сформулированные научные заключения. Ниже перечислены наиболее важные результаты, впервые полученные в рамках данной работы:

1. Контакт графена с Аи при интеркаляции под графеновый монослой, синтезированный на поверхности монокристаллических пленок N¡(111) и Со(0001), а также графена с 1г при синтезе графена на поверхности монокристалла 1г(111) приводит к аномально-высокому индуцированному спин-орбитальному расщеплению л состояний графена, что обусловленно эфеектами спин-зависимой гибридизации между я состояниями графена и 6 состояниями тяжелых металлов (Аи,1г)

2. Система графен/Аи/№ является стабильной по отношению к воздействию атмосферного кислорода. Электронная структура графена, а также спиновое расщепление графеновых состояний сохраняются, что позволяет использовать данное расщепление не только в лабораториях в сверхвысоком вакууме, но и в реальных условиях.

3. На поверхностях материалов, состоящих из элементов с малым атомным номером, таких как Со, Ай, Б1С, эффектов аномально-высокого спин-орбитального расщепления я состояний графена не наблюдается

4. Графен, созданный на кубическом-51С(001 )/51(001) имеет электронную структуру, характерную для квазисвободного графена.

5. Графен, синтезированный на поверхностях N¡(111) и Со(0001) характеризуется наличием Дираковского конуса электронных состояний, не смотря на сильное взаимодействие между графеном и данными поверхностями.

Практическая значимость.

Практическая значимость настоящей работы заключается в открытии возможности формирования большой спиновой поляризации уникальной электронной структуры графена и объяснении природы такого спинового расщепления. Большая спиновая поляризация конусов Дирака в электронной структуре графена около уровня Ферми открывает путь для реализации в графене множества предсказанных ранее теоретически эффектов и даёт возможность для существенного расширения применений графена в спинтронике. Теоретические и экспериментальные результаты для графена, выращенного на различных подложках, проливают свет на природу большого спинового расщепления и позволяют получать графен с большой или очень малой величиной спинового расщепления.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Величина спин-орбитального расщепления электронных состояний в одноатомных слоях металлов Au, Ag, Си на (110) поверхности монокристаллов вольфрама и молибдена не зависит от атомного номера напылённого металла, а определяется атомным номером подложки.

2. На поверхностях материалов с малым атомным номером, таких как Ni, Со, Ag, SiC, индуцированное спин-орбитальное расщепление л зоны графена не наблюдается.

3. Интеркаляция золота под графен приводит к появлению гигантского эффекта Рашбы со спиновым расщеплением я состояния графена порядка 100 мэВ.

4. Эффект гигантского спин-орбитального расщепления Рашбы в графене имеет место так же при контакте с иридием. Величина спинового расщепления при этом порядка 50 мэВ.

5. Причина эффекта индуцированного спин-орбитального расщепления состоит в гибридизации я состояния графена со спин-расщеплёнными d состояниями тяжелых металлов, золота или иридия.

6. Система графен/Au/Ni стабильна к воздействию атмосферы с сохранением электронной структуры и спинового расщепления.

7. Графен, созданный на Ky6H4ecKOM-SiC(001)/Si(001) имеет электронную структуру, характерную для квазисвободного графена. Графеновый слой состоит из 4х типов повёрнутых доменов.

Апробация работы.

Основные результаты работы были представлены на следующих российских и международных конференциях: Science and Progress, Санкт-Петербург (2013); Graphene Week, Хемниц (Германия) (2013); European Workshop on Epitaxial Graphene, Оссуа (Франция) (2013); Deutsche Physikalische Gesellschaft, Регенсбург (Германия) (2013); The 24th Conference of the EPS Condensed Matter Division, Эдинбург (Великобритания) (2012); Deutsche Physikalische Gesellschaft, Берлин (Германия) (2012); Third Joint BER II and BESSY II Users' Meeting, Берлин (Германия) (2011); Quantum phenomena in Graphene, other Low-

Dimensional materials, and Optical Lattices, Эричи (Италия) (2011); Workshop on the occasion for celebrating 10 years of Operation of the Russian German Laboratory at BESSY II, Берлин (Германия) (2011); Deutsche Physikalische Gesellschaft, Дрезден (Германия) (2011); Second Joint BER II and BESSY II User's Meeting, Берлин (Германия) (2010); First German-Russian Interdisciplinary Workshop on the Structure and Dynamics of Matter, Берлин (Германия) (2010); Deutsche Physikalische Gesellschaft, Регенсбург (Германия) (2010); Rashba and related spinorbit effects in metals, Бад-Хоннеф (Германия) (2010); Russian-German Workshop on the Development and Use of Accelerator-Driven Photon Sources, BESSY, Берлин (Германия) (2009); 27th BESSY Users' Meeting, BESSY, Берлин (Германия) (2008).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 11 научных работ в ведущих рецензируемых научных журналах [А1-А11].

Личный вклад автора.

Все результаты, представленные в работе, получены соискателем лично, либо в соавторстве при его непосредственном участии.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Работа изложена на 120 страницах, включая 64 рисунка. Список литературы содержит 128 ссылок.

Содержание работы

Во Ведении обсуждается актуальность работы, её практическая значимость, формулируются цели и задачи диссертации. В конце введения представлены научные положения, выносимые на защиту, и описывается структура диссертации.

В первой главе описываются использовавшиеся в работе основные экспериментальные методы исследования, а именно:

• рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС), дающая информацию об основных уровнях электронной структуры исследуемых систем;

• фотоэлектронная спектроскопия с угловым разрешением (ФЭСУР), дающая подробную информацию о дисперсии электронных состояний в валентной зоне;

• фотоэлектронная спектроскопия с угловым и спиновым разрешением (Спин-ФЭСУР), как и обычная фотоэлектронная спектроскопия с

Рис. 1. Спиновое расщепление конуса Дирака графена за счёт эффекта Рашбы.

угловым разрешением, но с дополнительной важной информацией о спиновой поляризации исследуемых электронных состояний; • дифракция медленных электронов (ДМЭ), использовавшаяся для изучения качества поверхности образцов, их кристаллографической структуры, упорядоченности адсорбированных на поверхности атомов. Так же ДМЭ использовалась для позиционирования образцов вдоль высокосимметричных направлений зоны Бриллюэна для фотоэлектронных экспериментов.

В конце первой главы приводится краткий обзор экспериментальных станций, в которых проводились измерения. Работа с образцами производилась в камерах со сверхвысоким вакуумом и содержащим всё необходимое оборудование, начиная от приготовления или модификации систем с графеном и заканчивая прямыми экспериментальными исследованиями.

Во второй главе содержится обзор двух основных тем данной диссертации: графена и эффекта Рашбы. Вначале каждая из этих тем обсуждается по отдельности. Для графена рассматриваются его кристаллическая структура, методы его формирования, вычисляется его электронная структура, обсуждаются особенности его электронной структуры, наличие конусов Дирака с линейной энергетической дисперсией.

Эффект Рашбы заключается в расщеплении изначально вырожденного по спину состояния под действием электрического поля перпендикулярного плоскости двумерного газа свободных электронов. В случае параболической дисперсии происходит расщепление параболы на две, одну со спином вверх и одну со спином вниз, смещённые в противоположные стороны по волновому вектору относительно точки Г зоны Бриллюэна. Если смотреть на контуры постоянной энергии, то обычная картина расщепления Рашбы выглядит как две концентрические зоны вокруг точки Г, в которых спин вращается при обходе по кругу и в двух зонах направлен всегда в противоположные стороны.

В конце второй главы рассматривается объединение рассмотренных выше тем, а именно, как должен выглядеть эффект Рашбы в случае графена. Оказывается, что ответ без теоретических расчётов изначально не очевиден, так как интересующая область графеновых Дираковских конусов находится не в Г точке, а в К и К' точках на краях зоны Бриллюэна, а также в связи с одновременным вкладом двух графеновых подрешёток. Результирующее спиновое расщепление Рашбы выглядит сильно отличающимся от случая свободных электронов, так как есть энергетическая щель для одного направления спина, но отсутствует щель для другого направления спина. Ещё одно существенное отличие заключается в том, что в случае свободных электронов величина расщепления линейно растёт с ростом величины волнового вектора, а в случае графена величина спинового расщепления постоянна. Схема спинового расщепления конуса Дирака графена за счёт эффекта Рашбы приведена на рисунке 1.

В третьей главе очень кратко рассматриваются одноатомные слои металлов золота, серебра и меди на поверхностях (110) монокристаллов вольфрама и

молибдена. Показывается, что спин-орбитальное расщепление электронных состояний в таких плёнках толщиной в один атом не зависит от атомного номера металла плёнки, а определяется атомным номером подложки. В случае плёнок, напылённых на поверхность вольфрама (2=74), наблюдается спиновое расщепление состояний, тогда как при напылении на поверхность молибдена (Х=42) спиновое расщепление не наблюдается. Результаты опубликованы в работе [А4]. Данное открытие показывает большую важность влияния материала подложки под плёнкой толщиной в один атом на спиновое расщепление состояний плёнки. Идея использования подложек с большим атомным номером под слоем графена далее успешно применена для создания спинового расщепления электронных состояний графена.

Спины II к

71

БрШ ир * Бр1П (1о»Т1

Я V ¡г К

К

/

/

\

2.0 1.5 1.0 0.5 0.0

Энергия связи, эВ

2.0 1.5 1.0 0.5 0.0

Энергия связи, эВ

Рис. 2. Спектры, измеренные при помощи фотоэлектронной спектроскопии со спиновым разрешением и показывающие отсутствие спинового расщепления в графене на карбиде кремния.

В четвёртой и пятой главах идёт рассмотрение графена на материалах с малым атомным номером, а именно: ферромагнетиках (никель и кобальт), на серебре и на полупроводнике (карбиде кремния). Для материалов с малым атомным номером эффекта Рашбы с экспериментально заметной величиной расщепления изначально не ожидалось. Несмотря на это, в литературе вначале появилась информация о наблюдении смещения л зоны графена при смене намагниченности системы графен на никеле, что было проинтерпретировано как проявление эффекта Рашбы, а затем наблюдение анизотропного спинового расщепления л зоны графена, выращенного на карбиде кремния. Оба этих наблюдения позднее не подтвердились. Причиной их появления, скорее всего, являлись неучтённые эффекты постановки эксперимента. Возникшая на тот момент неоднозначность требовала наиболее прямой экспериментальной проверки наличия или отсутствия спинового расщепления в графене на подложках из лёгких материалов методом фотоэлектронной спектроскопии с угловым и спиновым разрешением. Основные результаты настоящей диссертации связаны с наблюдением и описанием гигантского расщепления

Рашбы в электронной структуре графена на материалах, содержащих атомы с большим атомным номером, но рассмотрение материалов, на которых расщепление отсутствует, не менее важно. Во-первых, измерение материалов, приводящих к отсутствию спинового расщепления и приводящих к гигантскому расщеплению в электронной структуре графена, на одном оборудовании и одними методиками позволяет убедиться в работоспособности и оборудования и методов измерения. Во-вторых, для некоторых задач спинтроники необходима максимально малая величина спинового расщепления при наличии идеального слоя графена, например, для достижения большой длины пробега электронов с сохранением спина без рассеяния. В-третьих, для определения природы спинового расщепления в графене необходимо теоретическое и экспериментальное исследование и сравнение максимально большого количества различных систем, в данном случае, слоя графена на различных подложках. Кроме того, ожидается, что одновременная комбинация материалов, приводящих к малому и большому расщеплению, могут дать путь к производству графена с произвольно заданной величиной спинового расщепления конуса Дирака и заданной величиной спиновой поляризации на уровне Ферми.

В четвёртой главе рассматривается графен на ферромагнетиках, никеле и кобальте. Обсуждается метод приготовления систем методом крекинга пропилена, обсуждается электронная и атомная структура, а так же открытие наличия конуса Дирака для графена на никеле и кобальте. Данное открытие представляет особый интерес, так как очень широко распространено мнение об отсутствии конуса Дирака в данных системах, что он разрушен за счёт очень сильного взаимодействия графена с ферромагнетиками. Во время работы над данной диссертацией в графене на никеле и кобальте методом фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением удалось наблюдать наличие конуса Дирака графена без щели в точке Дирака. Эффекты сильного взаимодействия и гибридизации электронных состояний наблюдаются, но проявляют себя в стороне от точки Дирака как по энергии, так и по волновому вектору. Далее в главе рассматривается экспериментальное исследование спиновой поляризации электронных состояний графена на никеле и кобальте и делается вывод об отсутствии эффекта Рашбы в этих системах. Основные публикации по этой части материалов диссертации [А2] и [А8].

В пятой главе в основном рассматривается графен на карбиде кремния и кратко графен на серебре. На карбиде кремния графен формируется методом термического разложения 81С, а на серебре графен формируется путём напыления атомов серебра сверху с последующей их интеркаляцией при прогреве под слой графена. В обоих случаях результатом исследований является отсутствие экспериментально наблюдаемого эффекта Рашбы или какого-либо другого спинового расщепления или поляризации, см. рисунок 2. Для графена на карбиде кремния подробно рассматривается кристаллическая и электронная структуры и приводится теоретический расчёт спин-орбитального расщепления, дающий величину от 0.02 до 0.1 мэВ. Эксперименты по измерению малых расщеплений методом фотоэлектронной спектроскопии с угловым и спиновым

з 2 1 02 1 02 1 02 1 О

Энергия связи (эВ)

Рис. 3. Гигантское спиновое расщепление графеновой я зоны, (а) ФЭСУР в районе К точки зоны Бриллюэна графена на золоте. Крестики показывают места измерений со спиновым разрешением, показанных в частях (б-д). Синие и красные линии спектров соответствуют спектрам спина вверх и вниз.

разрешением требуют очень большого времени, которое, в свою очередь, ограничено выделенным на данное исследование временем использования канала синхротронного излучения. Таким образом, конечная погрешность измерения величины спинового расщепления в основном зависит от потраченного на измерение спектра времени и интенсивности исследуемой особенности в электронной структуре. В работе над настоящей диссертацией были разработаны два метода определения верхней границы

со

05 ^

СП

к

ш

о о;

О. ф

X

СО

-0.1 0.1 МА-')

спинового расщепления по измерениям, проведённым методом спин-разрешённой фотоэлектронной спектроскопии. Для каждого измеренного спектра была определена верхняя граница величины спинового расщепления, совместимого с данным спектром. Экспериментальные данные определения верхних границ величины спинового расщепления приводится для множества различных точек в зоне Бриллюэна графена отдельно для двух перпендикулярных осей квантования спина в плоскости образца. Общим результатом является максимальная верхняя граница величины спинового расщепления среди всех точек < 22 мэВ. Результаты опубликованы в работе [А11].

Перечисленные выше результаты пятой главы приведены для случая обычного для научных исследований, гексагонального, карбида кремния. Но помимо того, во время работы над диссертацией были сделаны шаги по исследованию кристаллической и электронной структуры графена на кубическом-51С(001 )/81(001), так как этот вид карбида кремния является активно используемым материалом в микроэлектронике, а значит, имеет существенно большее практическое применение. Было показано, что графен на такой подложке имеет электронную структуру, характерную для квазисвободного

угол

Аи 5а

0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0

Энергия связи, эВ

Рис. 4. Спин-зависимая гибридизация л состояния графена с с/ состояниями золота. Слева представление в виде первой производной интенсивности по энергии, справа представление в виде спин-разрешённых спектров для выделенных слева белыми пунктирными линиями срезов.

графена, и что графеновый слой состоит из 4х типов повёрнутых доменов: ±13.5° и 90 ±13.5 Результаты представлены в работе [А10].

Шестая глава является основной и самой большой главой настоящей диссертации. В ней обсуждается открытие гигантского эффекта Рашбы в электронной структуре графена на золоте на N¡(111) подложке со спиновым расщеплением л состояния графена порядка 100 мэВ и появлением спиновой поляризации на уровне Ферми. Пример данных, показывающих это расщепление, показан на рисунке 3, где видно почти постоянное по величине расщепление, инвертирующее знак при инверсии волнового вектора, в полном соответствии с моделью Рашбы для случая графена. Величина расщепления в 100 мэВ рассматривается как гигантская величина в случае графена, несмотря на то, что в полупроводниках наблюдаются существенно большие по величине расщепления. Это связано с тем, что она в 1000-10000 раз больше теоретического значения внутреннего спин-орбитального расщепления свободного графена, являющегося очень малым в связи с малым атомным номером составляющих его атомов углерода. Формирование графена на слое золота происходит путём напыления сверху на графен слоя атомов золота с последующим прогревом системы и интеркаляцией атомов золота под графен. Показано, что интеркаляция золота под графен делает его квазисвободным, восстанавливая линейный характер конусов Дирака электронной структуры графена, и что точка Дирака находится близко к уровню Ферми. В работе подробно, экспериментально и теоретически, показана причина появления эффекта индуцированного подложкой спин-орбитального расщепления. Она

Рис. 5. Результаты расчётов, показывающие в левой части 9 мэВ спиновое расщепление конуса Дирака графена на золоте для 1x1 структуры и в правой части 50-100 мэВ расщепление в случае разбавленной концентрации золота со структурой 2x2.

-0.04 -0.02 0 0.02

МА")

Графен

Ли О О О О О О

1 монослой

-0.04 -0.02 0 0.02 0.04

МА')

Графен

ОО О« ЛО ОС ОС оо

ООО

1/4 монослоя

состоит в появлении гибридизации л состояния графена со спин-расщеплёнными (I состояниями золота, как показано на рисунке 4.

В главе приводится большое количество экспериментальных данных для множества приготовлений образцов с различным качеством сформированной структуры и с последовательным изучением зависимости структуры от количества золота. Было открыто наличие нескольких фаз роста графена на золоте: с формированием 9x9 и 8x8 реконструкций, с отличиями в гибридизации, но с большим спиновым расщеплением в обоих случаях, а также существование фазы с малым спиновым расщеплением п зоньг графена, порядка 10 мэВ. Теоретическое исследование указывает на то, что в случае идеального слоя золота с 1x1 структурой спиновое расщепление в равновесной геометрии и без открытия щели в точке Дирака не превышает 10 мэВ, т.е. в 10 раз меньше экспериментально наблюдаемой величины. В свою очередь, разреженная структура золота типа 2x2 позволяет получить в равновесной геометрии существенно большее спиновое расщепление, что показано на рисунке 5.

Были проведены эксперименты по исследованию стабильности системы графен на золоте под воздействием атмосферного кислорода. Данные исследования показали, что электронная структура графена, спиновое расщепление и спиновая поляризация графеновых состояний сохраняются, что позволяет использовать такое расщепление не только в лабораториях в сверхвысоком вакууме, но и в реальных условиях и устройствах.

Во второй части шестой главы обсуждается наблюдение гигантского спин-орбитального расщепления Рашбы в графене, выращенном напрямую на иридии

(111). Величина спинового расщепления в этом случае составляет порядка 50 мэВ, т.е. в два раза меньше чем в случае контакта графена с золотом. Такая система интересна тем, что показывает возможность получения гигантского эффекта Рашбы в графеновой электронной структуре не только за счёт использования золота, но и другого элемента с большим атомным номером. Измерения дисперсии электронных состояний валентной зоны показывают наличие эффекта гибридизации аналогично случаю графена на золоте, что и является причиной формирования большого спинового расщепления в графене. Помимо обычной, однородной фазы графена (R0) на иридии, в диссертации подробно описываются фазы с большим числом графеновых доменов с вращательным смещением, получающиеся при меньшей температуре роста графена. Сделано детальное описание формирования характерных особых картин дифракции медленных электронов в этом случае. Измерение спинового расщепления дало результат -25 мэВ, т.е. в два раза меньше чем при однородной фазе графена на иридии, что говорит о возможности получения расщепления нужной величины, используя различную температуру при приготовлении системы графенЯг(111).

В третьей части шестой главы приводится пример использования интеркаляции золота для получения большого спинового расщепления в электронной структуре графена на карбиде кремния. До этого, в пятой главе, было показано отсутствие экспериментально заметного спинового расщепления в графене на SiC. После же интеркаляции золота наблюдалось расщепление п зоны величиной ~120 мэВ.

Базовые публикации по рассмотренным в данной главе результатам: [А7],[А5] и [А9]. Кроме того, эти или связанные с ними результаты приведены и обсуждаются в работах [А1, A3, А6].

В Заключении приводятся основные выводы диссертации.

Основные результаты и выводы.

В настоящей работе показан метод формирования большого спинового расщепления и спиновой поляризации конусов Дирака в электронной структуре графена и показана природа этого эффекта.

Идея метода основана на открытии, что величина спин-орбитального расщепления электронных состояний в одноатомных слоях металлов Au, Ag, Си на поверхностях W(110) и Мо(110) не зависит от атомного номера напылённого металла, а определяется атомным номером подложки. Открытие, показав большую важность влияния материала подложки под плёнкой толщиной в один атом на спиновое расщепление состояний плёнки, было далее использовано для успешного контроля спиновой поляризации электронных состояний в графене.

Экспериментальные и теоретические исследования показали, что в графене, выращенном на поверхностях материалов с малым атомным номером (таких как никель, кобальт, серебро или карбид кремния), спинового расщепления л зоны графена не наблюдается.

Напыление сверху на графен слоя атомов золота с последующим прогревом системы и интеркаляцией атомов золота под графен приводит к появлению гигантского эффекта Рашбы со спиновым расщеплением л состояния графена порядка 100 мэВ и появлением спиновой поляризации на уровне Ферми. Данная, величина расщепления рассматривается как гигантская - величина в случае; графена, так как она в 1000-10000 раз больше теоретического значения внутреннего спин-орбитального расщепления свободного графена, являющегося очень малым в связи с малым атомным номером составляющих его атомов углерода. В работе показана причина появления рассматриваемого эффекта индуцированного спин-орбитального расщепления. Она состоит в появлении гибридизации я состояния графена со спин-расщеплёнными d состояниями тяжелых металлов.

Эксперименты по исследованию стабильности системы . графен/Au/Ni под воздействием атмосферного кислорода показали, что электронная структура графена, а также спиновое расщепление графеновых состояний сохраняются, что позволяет использовать данное расщепление не только в лабораториях в сверхвысоком вакууме, но и в реальных условиях.

Было экспериментально показано, что эффект гигантского спин-орбитального расщепления Рашбы в графене имеет место так же при контакте с иридием. Величина спинового расщепления порядка 50 мэВ, т.е. в два раза меньше чем в случае контакта с золотом.

После изучения электронных и спиновых свойств графена на обычном для научных исследований, гексагональном, карбиде кремния следующим шагом стало исследование свойств графена на Ky6H4ecKOM-SiC(001)/Si(001), так как этот вид карбида кремния является активно используемым материалом в микроэлектронике, а значит, имеет существенно большее- практическое применение. Было показано, что графен на такой подложке имеет электронную структуру, характерную для квазисвободного графена, и что графеновый слой состоит из 4х типов повёрнутых доменов: ±13.5° и 90 ±13.5

Список публикаций по теме диссертации.

[А1]. A. Varykhalov, J. Sanchez-Barriga, A.M. Shikin, С. Biswas, E. Vescovo, A. Rybkin, D. Marchenko, and O. Rader. Electronic and Magnetic Properties of Quasifreestanding Graphene on Ni // Phys. Rev. Lett- 2008. - Vol: 101. -P. 157601.

[А2]. O. Rader, A. Varykhalov, J. Sanchez-Barriga, D. Marchenko, A. Rybkin, and A.M. Shikin. Is There a Rashba Effect in Graphene on 3d Ferromagnets? // Phys. Rev. Lett. - 2009. -Vol. 102. - P. 057602.

* . - . . . -

[A3]. J. Sanchez-Barriga, A. Varykhalov, M.R. Scholz, Ö. Rader, D Marchenko, A. Rybkin, A.M. Shikin, E. Vescovo. Chemical vapour deposition of graphene on Ni(l 11) and Co(0001) and intercalation with Au to study Dirac-cone formation and Rashba splitting// Diamond and Related Materials.-2010.-Vol. 19.-Pp. 734-741.

[A4] 4 М. Шикай, А. I: Рыбкин, Д Е Марченко. Ц. Ю Усачев, В К. Адам чу к. А. IG. Ьарых&юв. О. Ruder, Ин/дуичроюькое подложкой спин-орбитальное рпсикллсииг пантовых и интерфейсных состояний ь слоях Au, Ag и Си различной толщинь* на поверхностях W(iIO) я Мо(1 iO) И Физика твердого 'тела. - 201С. - э>„ К* 7. - С. 1412-1422.

'[А5]. D Marchenko, A VuryUv.ilov A. Rybkin A.M. Shikin,. and О. Ruder. Atmospheric, stability ana dcptr.g protection of noble-metal intercalated graphene on >,';( ! i 1) Ару.I. Rhys. Lcll. - 20П. - Vol. 9s. - P. '22! i i.

[A6]. A. Vorykhalov, D. Marchcnko, M. R. Schob, E. D. L. Rienks, Т. K. Kim, G, Bih!may?r, J. Sanchez-Bat riga, unci O. Radcr. lr(l 1 i) Surface Slats with Giar.i Rashea Splitting Psrsbts under Graphen., in Air /V Rhys. Rev. Lett. - 2012. - Vol. ¡08. - P. 1:66804.

¡А7]. D. Marchenko, A. VaryKhalov, M. R. Schob, G. Bihlmayer, E. I. Rashba. A-RVbkin. A. M. ' Shikin, O. Ruder. Giant Rashba splitting in graphene due to hybridization with gold // Nature Communications — 2012. - Vol. 3. - P. 1232.

[AS]. A. Vqrykkaiov, D. Marchtnho. J. Sanchez-ßarriga, M. R Scholz, В. Verberck. 3 Trauzc.itel, Т. O. Wchiing. С Carbone, О Ruder. Intact Dirac cones at broken subliiltice symmetry: photoemission study of graphene on Ni and Co // Phys. Rev. X. -2012. - Vol. 2. - P. 041017.

[A9|, D. Marchenko, J. Su'.chez-Barriga, hl. R. Scholz, О. Rader and A. Varvkhalov Spin splitting of Dirac termions in aligned and rotated graphene on ir(l i'i) /7 Phys. Rev. B. - 2013. - Vol. 87. - P. 115426 (Editor's Suggestion).

[А10]. A. N.. Chqika, О. V. Moiodtsova, A. A. Zakharov, D. Marchenko, J. Sanchez-Barriga, A. Varykhatov, I. V. Shvets, and V. Yu. Aristov. Continuous wafer-scale graphene on cubic-SiC(OOl) // Nano Research. - 2013. - Vol. 6. - Pp. 562-570.

[All]. D. Marchenko, A. Vaiykhalov, M. R.Scholz, J. Sanchez-Barriga, O. Rader, A. Rybkina, A. M. Shikin, Th. Seyller. G. Bihlmayer. Spin-resolved photoemission and ab initio theory of graphene/SiC // Phys Rev. B. - 2013. - Voi. 88, - P. 075422.

Цитированная литература.

[1] К. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, >'. Zhang, S: V. Dubonos, i. V. Grigorieva, and A. A. Firsov. Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films // Science. - 2004. - Vol. 306..- P. 666.

[2] A. K. Geim ana К S. Novoselov. The rise of graphene /7 Nature Materials. -2007.-Vol. 6. -P. 183.

/Л

[3] F Miao, S Wijeratne, Y. Zhang, U. C. Cmkun. IV. Ban and С N. Lent. Phase-Coherent Transport in Graphene Quantum Billiards // Scicr.ce. - 2C07. - Vol. 317. - r>. 1530.

[4] M. C. Lemme, T. J. Echtermeyer, M Bans, and II. Kurr.. A Graphene Field-Effect Device // IEEE Electron Device Letters. - 2007. - Vol. 28. - P. 282.

[5] P. Matyba, H. Yamaguchi, G. Eda, M. Chhcwalla, L Eaman, and N. D. Robinson. Graphene and Mobile Ions: The Key to All-Plastic, Solution-Processed Light-Emitting Devices II ACS Nano. - 2010. - Vol. 4 (2). - P. 637.

[6] M. D. Stoller, S. Park. Y. Zhu, J. An. and R. S. Ruoff. Graphene-Based L'ltracapacitors // Nano Lett. - Vol. 8 (10). - P. 3498.

[7] E. I. Rashba. A method of experimental examination of possibility of introduction of universal surface recombination rate during investigation of the photoelectric processes kinetics // .Sov. Phys. Solid Slate. - 1960. - Vol. 2. - P. 1109.

[8] R. Winkler. Spin-Orbit Coupling Effects in Two-Dimensional Electron and Hole Systems ISpringer-Verlag Berlin Heidelberg. - 2003. STMP 191 VII-IX.

[9] T. Fnjita, M. B. A. Jalil, and S. G. Tan. Spin polarization of tunneling current in barriers with spin-orbit coupling II J. Phys. Cond. Mat. - 20CS. - Vol. 20. - P. 115206.

[10] S. Datta and B. Das. Electronic analog of the electro-optic modulator // Appi Phys. Lett. — 1990. - Vol. 56. - P. 665.

[11] A. Dyrdal, V. K. Dugaev. and J. Barnas. Spin Hall effect in a system of Dirac fermions in the honeycomb lattice with intrinsic and Rashba spin-orbit interaction // I'hys. Rev. B. - 2009. - Vol. 80. - P. 155444. '

[12] C. Weeks, J. Ни, J. Alicea, M. Franz, and R. Wu. Engineering a Robust Quantum Spin Hall State in Graphene via Adatom Deposition // Phvs. Rev. X. - 2011. -Vol.1.-P. 021001.

[13] Z Qiao, S. A. Yang, W. Feng, IV. Tse. J. Ding, Y. Yao, J. Wang, and Q. Niu. Quantum anomalous Hall effect in graphene from Rashba and exchange effects // Phys. Rev. В. -2010,- Vol. 82. - P. 161414.

[14] M. Zarea, S. E. Ulloa, and N. Sandler. Enhancement of the Kondo Effect through Rashba Spin-Orbit Interactions // Phys. Rev. Lett. - 2012. - Vol. 108. - P. 046601.

Подписано в печать 29.12.2014 Формат 60^84 4W Бумага офсетная, raptrmypa Times . Печл ь ц>1фро»и»я.

Усл. печ. л. 1,00. Тираж 100 экз. Заказ № б 151.

Отпечатано в отделе оперативной полиграфии Института химии СПбГУ 198504, Санкт-Петербург, Старый Петерг оф. Унинсфенгстекии пр. 26. Тел.: (812)—428—60— 11) 428-10-43