ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2013, том 77, № 1, с. 45-49
УДК 537.53
МОДИФИКАЦИЯ ИНДУЦИРОВАННОГО СПИН-ОРБИТАЛЬНОГО РАСЩЕПЛЕНИЯ п-СОСТОЯНИЙ ГРАФЕНА ПРИ СОВМЕСТНОЙ ИНТЕРКАЛЯЦИИ Bi И БЛАГОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ
© 2013 г. Е. В. Жижин1, А. А. Попова1, Д. Е. Марченко1, 2, А. Г. Рыбкин1, И. И. Климовских1, Г. Г. Владимиров1, А. М. Шикин1
E-mail: evgeny_liquid@mail.ru
Методами ФЭС с угловым и спиновым разрешением исследовано влияние интеркаляции атомов Bi, а также совместной интеркаляции атомов Bi и благородных металлов (Au, Cu) на спиновую и электронную структуру графена, сформированного на Ni(111). Показано, что в случае совместной интеркаляции Bi и Au наблюдается спин-орбитальное расщепление п-состояний графена, составляющее 20—30 мэВ.
DOI: 10.7868/S0367676513010237
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время исследования спиновой электронной структуры различных низкоразмерных систем, в том числе и графена, привлекают повышенное внимание вследствие интенсивного развития нового направления наноэлектроники — спинтроники, основанной на управлении спином электрона [1, 2]. При обычных условиях величина спин-орбитального расщепления электронных состояний графена пренебрежимо мала, однако ин-теркаляция атомов Au под графеновый монослой приводит к эффектам индуцированного подложкой спин-орбитального расщепления я-состоя-ний графена, [3—6]. При этом предполагается, что наблюдаемые при интеркаляции Au под графено-вый монослой эффекты обусловлены в значительной степени гибридизацией я-состояний графена с d-состояниями Au и формированием соответствующих гибридизированных (я—а)-со-стояний [3—6], а также высоким внутриатомным градиентом потенциала, характерного для атомов Au как тяжелого металла. Было показано, что величина спинового расщепления я-состояний графена при интеркаляции Au в области линейности дисперсионных зависимостей я-состояний графена около точки К зоны Бриллюэна может достигать ~100 мэВ [4, 6].
В настоящее время не ясно, какой из перечисленных выше факторов наиболее существен. В связи с этим целью настоящей работы являлось изучение влияния интеркаляции атомов Bi, столь же тяжелых, как и Au, и их совместной интеркаляции на спин-орбитальное расщепление я-со-
1 198504, Санкт-Петербургский государственный университет.
2 D-12489, BESSY, Берлин, Германия.
стояний графена. С другой стороны, атомы Bi и Au имеют принципиально различную электронную структуру. Висмут характеризуется ^-структурой валентной зоны, т.е. отсутствием валентных d-электронов, которые должны обуславливать высокую величину спин-орбитального расщепления. Предполагалось, что совместная интеркаляции атомов золота и висмута, меди и висмута должна привести к модуляции величины спин-орбитального расщепления.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДЕТАЛИ
Экспериментальные исследования энергетических спектров были проведены в Гельмгольц-цен-тре на канале синхротронного излучения BESSY II методами фотоэлектронной спектроскопии с угловым и спиновым разрешением. Дисперсионные зависимости валентных электронных состояний были получены с помощью полусферического энергоанализатора SPECS "Phoibos 150".
Монослой графена формировался на поверхности монокристаллической пленки Ni(111). Давление в исследовательской камере в процессе проведения эксперимента было не хуже, чем 10-10 Торр.
Формирование графенового монослоя на поверхности Ni(111) и интеркаляция атомов металла проводились по разработанной ранее методике [2—5]. Слои Ni(111) толщиной порядка 100 А выращивались на атомарно-чистой поверхности W(110). Очистка поверхности W(110) осуществлялась путем отжига при давлении кислорода в исследовательской камере 1 • 10-7 Торр и температуре 1200°С с последующим кратковременным прогревом до температур ~2000°С в условиях сверхвысокого вакуума. Формирование графена
46
ЖИЖИН и др.
12 8 4 0
Энергия связи, эВ
Рис. 1. Спектры фотоэмиссии, измеренные по нормали к поверхности для систем: а - №(111)/С110), б - MG/Ni(111), в - MG/0.5MLBi/Ni(Ш), г -MG/Bi/Ni(111), д - MG/Bi + Си/Щ111), е - MG/Bi + + Ли/№(111).
проводилось крекингом пропилена (С3Н6) на нагретой поверхности N1(111) в течение 5 мин при давлении пропилена в исследовательской камере 10-6 Торр и температуре образца 450°С. Интерка-ляция атомов Б1, а также благородных металлов Ли и Си под графеновый монослой осуществлялась путем напыления металлов на поверхность системы с графеновым монослоем с последующим отжигом при температуре ~300-350°С и 450°С соответственно. В результате атомы напыленных металлов интеркалировались в пространство между графеновым монослоем и №-подложкой.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
На рис. 1 представлена серия фотоэлектронных спектров, измеренных в направлении нормали к поверхности на различных стадиях формирования исследуемых систем: после нанесения на поверхность '(110) тонкой монокристаллической пленки №(111) (а), после формирования монослоя графена на поверхности данной пленки крекингом пропилена (б), а также после "частичной" и полной интеркаляции атомов Б^ под синтезированный графеновый монослой (в, г) и совместной интеркаляции атомов Б^ и Си - (д) и Ли - (е).
Графен на поверхности №(111) характеризуется большей энергией связи я-состояний ~10 эВ (рис. 1б), что свидетельствует о сильном взаимодействии графена с №-подложкой [3-6]. Помимо пика я-состояний в спектре можно отметить осо-
бенности, соответствующие ^-состояниям №, которые расположены при энергиях ~0.5 и 1.5 эВ.
Напыление Б^ на поверхность графена с последующим прогревом при температуре 300°С приводит к существенному сдвигу я-состояний в сторону уменьшения энергии связи вплоть до энергии ~8.7 эВ, близкой к той, которая характерна для квазисвободного графена (рис. 1г). При этом в области, близкой к ^-состояниям №, при энергии связи ~3 эВ появляется пик, соответствующий ^-состояниям Б^. Когда концентрации ин-теркалированного Б^ недостаточно для полного заполнения пространства под графеновым монослоем и остаются места, где монослой графена контактирует непосредственно с поверхностью №(111), группа фотоэлектронов, связанная с возбуждением из я-состояний, имеет двухпиковую структуру (рис. 1в). Одному пику соответствует энергия связи ~8.7 эВ. На участках поверхности, где Б^ был интеркалирован под графеновый монослой в пространство между графеном и №-под-ложкой, графен слабо связан с нижележащей подложкой и характеризуется данной энергией связи. Другой пик располагается при энергии связи ~10 эВ. Он соответствует эмиссии с тех участков поверхности, на которых графен остается сильно связанным с №-подложкой ввиду отсутствия атомов Б^ на интерфейсе.
На рис. 2 представлены дисперсионные зависимости я - и ст-состояний в валентной зоне после интеркаляции Б^ под графеновый монослой. По сравнению с графеном, синтезированным непосредственно на поверхности №(111) [5], зона я-состояний графена после интеркаляции Б^ сдвинута в сторону уменьшения энергии связи, что обусловлено "блокировкой" сильного взаимодействия графена с №-подложкой при интеркаляции. Результатом является приближение электронной структуры к имеющейся у квазисвободного графена. Верхний край зоны я-состояний отстоит от уровня Ферми всего лишь на 0.4 эВ (рис. 2б).
Как видно из рис. 2б после интеркаляции Б^ дисперсионная ветвь я-состояний сплошная, без разрывов, как это имело место при интеркаляции атомов благородных металлов Ли и Си [5]. Формирование искажений дисперсионной зависимости и локальных разрывов в случае интеркаляции Ли, Си обусловлено гибридизацией ^-состояний Ли, Си с я-состояниями графена в области их пересечения. Для Б^ в этой области нет ^-состояний, поэтому и формирование соответствующих разрывов в дисперсионной зависимости не наблюдается.
На рис. 3а представлен фотоэлектронный спектр со спиновым разрешением для системы с интеркалированным Б^, измеренный в направлении ГК зоны Бриллюэна при полярном угле 21.5° относительно нормали к поверхности (кп ~ 1.2 А-1).
Г а
« е.
m 0
S 10 «
m
о «
S
<D «
m
ж Спин-вверх Спин-вниз
ГК
Угол эмиссии 21.5°
В
в
о £
о
о «
m S
о «
S «
И
2.5
Спин-вверх Спин-вниз
2.0
1.5
1.0
ГК б
Угол эмиссии 25.5°
2.0
1.5
1.0 0.5
Угол эмиссии, град
Рис. 2. Дисперсионные зависимости валентных электронных состояний для графена в направлении ГК зоны Бриллюэна для систем: а -MG/0.5MLBi/Ni(111), б - MG/Bi/Ni(111), в - MG/Bi + + Ли/№(111), г - MG/Bi + Си/№(111). Для лучшей визуализации дисперсионные зависимости представлены в виде второй производной по энергии. Энергия фотонов ку = 62 эВ.
Видно, что интеркаляция атомов Bi под графен не приводит к заметному спиновому расщеплению я-состояний графена: несмотря на то что Bi характеризуется высоким атомным номером Z = 83 (даже большим, чем у Ли, Z = 79), спиновое расщепление в пределах точности наших экспериментов не наблюдается. Напомним, что при интерка-ляции Ли наблюдалось индуцированное спин-орбитальное расщепление я-состояний графена со значением ~100 мэВ в области линейности дисперсионной зависимости я-состояний [4, 6].
Полученные экспериментальные результаты указывают на определяющую роль (я-аГ)-гибри-дизации в эффектах индуцированного спин-орбитального расщепления я-состояний графена при контакте с различными металлами. В результате такой (я—аГ)-гибридизации волновые функции я-состояний графена проникают в область атомов Ли с высоким градиентом внутриатомного потенциала, что и приводит к аномально высокому спин-орбитальному расщеплению я-состояний. При контакте графена с Bi ввиду отсутствия гибридизации с я-состояниями соответствующих условий проникновения электронной плотности волновых функций я-состояний графена в область высокого градиента потенциала не форми-
Спин-вверх Спин-вниз
ГК
Угол эмиссии 23.5°
3.5 3.0 2.4 2.0
Энергия связи, эВ
Рис. 3. Фотоэлектронные спектры со спиновым разрешением валентных электронных состояний для графена в направлении ГК зоны Бриллюэна для систем: а - MG/Bi/Ni(111), б - MG/Bi + Си/№(111), в - MG/Bi + Ли/№(111).
руется. В результате величина спин-орбитального расщепления я-состояний графена для данной системы остается на низком уровне.
На основе сравнения в
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.