Аннотация результатов, полученных в 2018 году
В рамках работы по проекту разработаны методики синтеза ряда графен-содержащих систем, а именно, графен/Gd/Ir(111), Gd/графен/Gd/Pt(111), графен/Au/Co(0001), графен/Pb(Bi)/Ir(111)(Re(0001)). Методами сканирующей туннельной микроскопии, дифракции медленных электронов и фотоэлектронной спектроскопии остовных уровней изучена морфология и атомная структура поверхностных слоев систем на различных стадиях формирования. Методами ФЭС с угловым и спиновым разрешениями детально изучена электронная и спиновая структура систем и обнаружен ряд уникальных эффектов, перспективных для применения в спинтронике и других наноразмерных устройствах. Для системы графен/Gd/Ir(111) показано, что интеркаляция атомов Gd не меняет Муаровой сверхрешетки 9.3х9.3, характерной для графена на Ir(111). Однако выявлено что под графеном возникает новая сверхструктура 2х2, которая связана с формированием поверхностного сплава Gd-Ir. Более того, хотя период Муаровой сверхрешетки не изменяется, корругация графенового слоя существенно увеличивается после интеркаляции. При этом продемонстрировано, что данное увеличение не связано с геометрическим изгибом графена, но с изменением локальной плотности состояний, т.н. электронной корругацией. Формирование поверхностного сплава Gd-Ir под графеном со структурой 2х2 также подтверждено при помощи дифракции медленных электронов и фотоэлектронной спектроскопии остовных уровней. Изучена электронная структура системы графен/Gd/Ir(111) при помощи метода фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением. Показано, что интеркаляция атомов Gd приводит к сдвигу конуса Дирака на 1 эВ в сторону увеличения энергии связи. При этом квазисвободный характер дисперсии графена на нарушается, вместе с основной ветвью конуса Дирака сдвигаются ее реплики, образованные вследствие Муаровой сверхрешетки. Выявлено, что верхняя и нижняя части конуса Дирака пересекаются в точке Дирака, то есть запрещенная зона отсутствует, что позволяет предположить слабое индуцирование спин-орбитального взаимодействия в графене вследствие формирования поверхностного сплава Gd-Ir. Спиновая текстура конуса Дирака изучена при помощи метода ФЭСУР со спиновым разрешением, и выявлено что расщепление графеновых состояний по спину практически отсутствует, что подтверждает вывод об отсутствии усиления спин-орбитального взаимодейтвия в графене на Gd-Ir(111). Детальный анализ ФЭСУР спектров показал что локальные запрещенные зоны, открывающиеся в местах пересечения реплик и основной ветви, исчезают после интеркаляции атомов Gd, вместе с фундаментальной запрещенной зоной. Их закрытие может быть связано с восстановлением симметрии подрешеток графена, вызванное сильным переносом заряда и/или блокировкой гибридизации графена и 5d состояний Ir подложки. При этом выявлено, что перенос заряда сдвигает конус Дирака и реплики так, что их пересечения попадают на уровень Ферми. Данный факт, вместе с возможностью управления запрещенными зонами оказывается перспективным для эффектов туннелирования Кляйна, спектра типа «бабочки Хофштадтера» и даже сверхпроводимости, наблюдающихся в графеновых сверхрешетках. Для системы графен/Gd/Pt(111) показано что после напыления атомов Gd и прогревов до температур ниже 1000 С происходит интеркаляция атомов Gd с формированием равномерного покрытия, а при прогреве выше 1000 С происходит поверхностное сплавление, при этом структура сплава характеризуется монослоем атомов Pt наверху. Изучена электронная структура на различных стадиях формирования системы. Показано что напыление атомов Gd приводит к свдигу точки Дирака в сторону увеличения энергии связи, что объясняется переносом заряда с атомов Gd на графен. При этом линейная дисперсия конуса Дирака локально искажается в области точки Дирака, что связывается с эффектами гибридизации и «непересечения» графеновых и 5d состояний платины. Вследствие спин-орбитального расщепления платиновых зон ожидается сильное индуцирование спиновой поляризации в графене, и возможности реализаиции топологической фазы. После прогрева системы до температур ниже 1000 С происходит интеркаляция атомов Gd и частичная десорбция их с поверхности, что выражается в спектрах как перераспределение интенсивности конусов Дирака с разными энергиями связи. После прогрева системы до температур выше 1000 С наблюдаются существенные изменения в электронной структуре. Вследствие формирования поверхностного сплава, у которого наверху локализуется монослой Pt дисперсионные зависимости Pt состояний видоизменяются в соответствии с эффектами размерного квантования. При этом в местах пересечения с конусом Дирака наблюдаются спин-зависимые эффекты гибридизации и формирования локальных запрещенных зон. Помимо возможности использования системы графен/Gd/Pt(111) в спинтронике было предложено применение системы в качестве наноразмерного химического реактора вследствие аномальных каталитических свойств системы Gd-Pt(111) и возможности эффективной интеркаляции различных молекул под графен. Для системы графен/Au/Co(0001) в зависимости от адсорбированного покрытия Au и температуры отжига показано формирование разных сверхструктуры слоя золота, в том числе 8х8, 9х9 и 13х13. Более того, измерения спиновой текстуры конуса Дирака для различных сверхструктур демонстрируют разные величины спиновых расщеплений графеновых состояний. Были проведены измерения электронной структуры системы графен/Au/Co при адсорбции атомов Gd. Перенос заряда с атомов Gd на графен приводит к сдвигу точки Дирака ниже уровня Ферми, так что начинает заполняться верхняя часть конуса. При этом было выявлено что в точке Дирака запрещенная зона отсутствует, что предположительно связано с небольшим вкладом «внутреннего» спин-орбитального взаимодействия в графене. Для систем графен/Pb(Bi)/Ir(111) (Re(0001)) изучена электронная структура систем методом ФЭСУР до и после интеркаляции атомов Pb и Bi. После интеркаляции атомов Pb(Bi) дисперсионные картины существенно меняются для системы графен/Re(0001). Для них уже становится возможно наблюдение практически невозмущённого конуса графена с точкой Дирака немного ниже уровня Ферми 0.3 эВ, в то время как до интеркаляции конус Дирака разрушен. При интеркаляции Pb и Bi дисперсионные картины (E,k) оказались достаточно похожими Это может быть объяснено тем, что вблизи уровня Ферми у Pb и Bi есть только sp зона, которая осуществляет только энергетический сдвиг и не приводит к модификации pi-состояний. Тогда как восстановление конуса при интеркаляции объясняется скорее уменьшением взаимодействия между графеном и рением. Наиболее примечательным в структуре графен/Pb(Bi)/Re(0001) отказывается появление запрещенной зоны в точке Дирака. Также для данной системы были измерены спиновые спектры, но достоверно наличие спиновой поляризации состояний графена не удалось установить, из-за значительного присутствия d состояний рения. Из дисперсионных зависимостей (E,k) для системы графен/Pb/Ir(111) было установлено, что после интеркаляции Pb положение точки Дирака смещается приблизительно на 400-500 мэВ в сторону больших энергий связи до 250 мэВ. Таким образом величина допинга оказывается одинаковой с системой графен/Pb(Bi)/Re(0001). Однако, явной запрещенной зоны в точке Дирака не было обнаружено. Измерение спектров со спиновым разрешением показало наличие спиновой поляризации ветвей Дираковского конуса с расщеплением до 100 мэВ. Таким образом значительная часть спинового расщепления описывается расщеплением типа Рашбы.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В рамках работы по проекту был проведен синтез и отработка деталей синтеза систем на основе графена при контакте с различными тяжелыми/магнитными металлами и их поверхностными сплавами на металличиских и полупроводниковых подложках. Системы были охарактеризованы и изучены методами ДМЭ, СТМ, РФЭС, ФЭС с угловым и спиновым разрешениями. Детально изучена морфология и атомная структура поверхности, электронная и спиновая текстура графеновых состояний и их гибридизация с состояниями металлов. Был проведен эффективный синтез квази-свободного графена на нанотонком эпитаксиальном сплаве Pt5Gd, который может быть использован в каталитических реакциях в топливных элементах. Отработаны методики синтеза системы с различной концентрацией атомов Gd и различным качеством графена. Для характеризации структурных и электронных свойств низкоразмерной системы были применены поверхностно-чувствительные методы (ДМЭ, ФЭС, ФЭСУР, СТМ) и ab initio расчеты. Установлено, что вакансии Pt случайным образом распределяются по поверхности системы Gr / Pt (111), а их низкая поверхностная концентрация, по сравнению с ранее опубликованными значениями, позволяет сформировать квазисвободный графен. Согласно данным ФЭСУР и ТФП расчету , графен поверх сплава Pt5Gd p-допирован и обладает гибридизацией со сплавом даже на Ван-дер-Ваальсовом расстоянии. Тем не менее, линейная дисперсия π-состояния вблизи уровня Ферми сохраняется. Наши результаты свидетельствуют о том, что рост тонких слоев платины путем магнетронного распыления с его кристаллизацией и последующим синтезом графена на наноразмерном сплаве Pt5Gd открывает большие возможности для недорогого производства катализаторов. По результатам работы подготовлена статья, находящаяся в данный момент на рецензии в журнале Applied Surface Science (Q1, impact factor=5.2) Получена детальная информация о структуре системы графен/Au/Co, с различной концентрацией атомов Au. Показано, что при интеркаляции атомов Au формируется сеть петлевых дислокаций, и формируется поверхностный сплав Au-Co. При определенной концентрации Au выявлено образование уникального электронного состояния в точке Г зоны Брюллиэна, имеющего структуру конуса Дирака, близкую к структуре состояний топологического изолятора. С целью модификации магнитных свойств графена синтезирована и изучена система графен/Au/Co с интеркалированными атомами Mn. При помощи РФЭС с разрешением по углу, что интеркаляция атомов Mn происходит при 600 С, причем анализ спектров остовных уровней Mn позволил выявить формирование связи между атомами Mn и Au. Линейная дисперсия конуса Дирака графена при этом не нарушается, однако наблюдается закономерный сдвиг точки Дирака, обсуловленный переносом заряда с атомов Mn на графен. Полученные результаты свидетельствуют об формировании ультратонкого слоя Mn под графеном, который также взаимодействует с атомами Au. При определенных параметрах возможно формирование интерфейсного сплава Mn3Au, который является высокоперспекктивным антиферромагнетиком для терагерцовой спинтроники. С целью формирования графена с магнитными свойствами на полупроводниковой подложке синтезирована и изучена система графен на SiC-6H(0001) с интеркалированными атомами Mn. При помощи методам РФЭС с разрешением по углу показано, что интеркаляция атомов Mn происходит при температуре 550 С. В результате интеркаляции Mn слоя выявлен сдвиг уровня C1s примерно на 0.2 eV в сторону меньших энергий связи. Методом ФЭСУР изучены дисперсии электронных π-состояний на разных этапах формирования системы. Для чистой системы gr/SiC наблюдается сдвиг точки Дирака в сторону больших энергий связи относительно уровня Ферми на 0.41 эВ, что соответствует ранее опубликованным работам. Напыление атомов Mn на систему графен/SiC приводит к сдвигу точки Дирака на дисперсии на уровень 0,44 эВ, вследствии переноса заряда с атомов марганца к атомам углерода, что приводит к сдвигу точки Дирака в сторону больших энергий связи. При дальнейшем отжиге системы до температуры в пределах 550°C наблюдается небольшое смещение конуса к уровню Ферми – 0.38 эВ что может быть следствием перераспределения атомов Mn между графеном и буферным слоем. Полученные данные позволяют рассмотреть формирование квазидвумерного слоя Mn под графеном на SiC. Влияние Mn слоя на магнитные свойства графена требует дальнейшего изучения. На основе экспериментальных результатов по электронной и спиновой структура графена в контакте с тяжелыми и магнитными металлами (Ni,Co, Au,Pt) и теоретических оценок предложена модель элемента на основе графена для элементарной ячейки SOT-MRAM, состоящая из квази-свободного графена, интеркалированного Au, и ультратонкого слоя Pt, расположенного между графеном и свободным магнитным слоем. Результаты измерений электронной и спиновой структуры графена при контакте с тяжелыми металлами в рамках проекта позволили показать эффективность использования графена в данном устройстве. Измерения СТМ и СЭМ показали низкую дефектность и термальную устойчивость используемых систем. Полученные результаты опубликованы в работе Rybkina et al., Nanotechnology 31, 165201(2020) (Q1, Impact factor=3.4, https://doi.org/10.1088/1361-6528/ab6470)