Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В последние годы активное развитие получили исследования двумерных магнитных материалов. Это связано с востребованностью таких систем для ультракомпактной спинтроники и проявлением необычных свойств. К настоящему времени фокус исследований смещается в сторону функциональных гетероструктур на основе двумерных магнитов. В частности, гетероструктуры, сочетающие двумерные магниты с графеном, хорошо зарекомендовали себя как элементы устройств спинтроники и оптоэлектроники. Ранее мы получили и исследовали двумерные магнитные материалы EuSi2 и GdSi2, интегрированные с кремниевой технологической платформой. В отчетный период мы провели исследования их гетероструктур с графеном, а именно систем графен/EuSi2/Si(111) и графен/GdSi2/Si(111). Кроме того, для целей сравнения была исследована аналогичная немагнитная гетероструктура графен/SrSi2/Si(111). Основными этапами работ являлись синтез материалов, характеризация их атомной структуры, измерение и анализ магнитных и транспортных свойств. Запланированные работы по проекту выполнены полностью. Синтез материалов был осуществлен методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Первым этапом синтеза было получение гетероструктур графен/Si(111), в которых графен находится в непосредственном контакте с подложкой кремния. Для этого были взяты подложки с нанесенным на них графеном. Удаление слоя естественного оксида между графеном и Si(111) производилось термически. Вторым этапом синтеза была интеркаляция атомов металла (Eu, Gd или Sr) под графен, проводимая напылением атомов металла на систему графен/Si(111), нагретую до высоких температур. Использование именно поверхности Si(111) важно, так как она стабилизирует тригональную полиморфную модификацию MSi2 за счет структурной близости. Все параметры синтезов были оптимизированы. В результате удалось получить все 3 вида гетероструктур графен/MSi2/Si(111). Для исследований были получены образцы с различным количеством монослоев MSi2. Атомная структура материалов анализировалась непосредственно в ростовой камере с помощью дифракции быстрых электронов. Этим методом контролировались удаление слоя оксида из-под графена и образование MSi2 при интеркаляции, с характерными параметрами решетки и связью ориентации материала с подложкой. Также проводились исследования атомной структуры вне ростовой камеры с использованием метода рентгеновской дифракции. Для этих исследований материалы были покрыты защитным слоем аморфного SiOx. Были сделаны выводы об отсутствии побочных продуктов реакции, кристаллическом качестве образцов, эпитаксиальном характере пленок. Поскольку гетероструктуры графен/EuSi2/Si(111) и графен/GdSi2/Si(111) содержат ионы с открытыми оболочками, для них были проведены исследования магнитных свойств. Для этой цели использовалась СКВИД-магнитометрия. Были получены температурные и полевые зависимости намагниченности, кривые FC-ZFC и распада остаточного магнитного момента. На основе данных измерений были сделаны выводы о ферромагнетизме гетероструктур, зависящем от количества монослоев силицида. Определенные магнитные моменты насыщения значительно меньше, чем были бы при полной спиновой поляризации ионов Eu или Gd, что свидетельствует о сосуществовании в материалах различных магнитных состояний, характерном для двумерных магнитов на основе Eu и Gd. Для изучения явлений, связанных с двумерной структурой магнитного материала, особое внимание уделялось температурным зависимостям магнитного момента в малых магнитных полях. Для исследования влияния силицидов на слой графена были проведены измерения латерального электронного транспорта во всех гетероструктурах графен/MSi2/Si(111). Были найдены температурные зависимости сопротивления гетероструктур в различных магнитных полях и без поля. Для набора температур были измерены зависимости эффекта Холла и магнетосопротивления от магнитного поля. В последнем случае использовались магнитные поля, направленные как в плоскости образца, так и перпендикулярно ей. На основе проведенных исследований были сделаны выводы об эффекте близости графена к двумерному магниту MSi2. В частности, эффект близости приводит к отрицательному магнетосопротивлению для магнитных полей в плоскости образца и аномальному эффекту Холла.

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В настоящее время значительные усилия направлены на исследование двумерных магнитных материалов. Предполагается, что такие системы дадут импульс развитию ультракомпактной спинтроники и обогатят наши знания о магнитных явлениях. Фокус исследований сейчас смещается в сторону гетероструктур на основе двумерных магнитов, так как они способны предоставить широкий спектр функциональных свойств. Одним из ключевых материалов в составе таких двумерных гетероструктур является графен. Системы двумерный магнит/графен активно применяются в разработке устройств спинтроники и оптоэлектроники. Ключевой задачей при этом является создание значительной спиновой поляризации в графене. Работы второго года проекта связаны с расширением этих исследований на эпитаксиальный графен, который может дать значительные преимущества благодаря его высокому качеству и естественной интеграции с подложкой. Мы изучили 3 вида гетероструктур - графен/Eu/SiC, графен/Gd/SiC и графен/Sr/SiC, в которых атомы металла интеркалированы между слоем эпитаксиального графена и подложкой 4H-SiC. Первые две системы были выбраны в связи с магнитными свойствами ионов Eu и Gd, тогда как гетероструктура на основе Sr была взята для целей сравнения. Основными этапами работ были синтез гетероструктур, характеризация их атомной структуры, измерение и анализ магнитных и транспортных свойств. Запланированные работы по проекту выполнены полностью. Синтез гетероструктур был проведен методом молекулярно-лучевой эпитаксии. В качестве исходных материалов использовались подложки SiC со сформированным монослоем эпитаксиального графена. Подложки были отожжены, а затем была проведена интеркаляция атомов металла (европия, гадолиния или стронция) под слой графена. Эта операция осуществлялась напылением атомов металла на систему графен/SiC при повышенной температуре. Были оптимизированы условия протекания интеркаляции. Это критически важно для того, чтобы избежать образования побочных фаз с адсорбцией металла на поверхности графена или с более глубокой интеркаляцией, а также формирования нанокластеров металла под графеном. Были сформированы суперструктуры металлов, соразмерные решетке графена. Атомная структура металлов между графеном и SiC была изучена в ростовой камере методом дифракции быстрых электронов. Для двухвалентных Eu и Sr получены суперструктуры, соответствующие монослоям EuC6 и SrC6, соответственно. Монослой SrC6 получен впервые. В случае трехвалентного Gd получена более сложная суперструктура атомов металла между графеном и SiC. Полученные материалы обладают высоким структурным качеством. Для исследований вне ростовой камеры материалы были покрыты защитным слоем аморфного SiOx. В частности, это позволило провести исследование структуры с помощью рентгеновской дифракции в геометрии со скользящим падением рентгеновских лучей. Так как материалы графен/Eu/SiC и графен/Gd/SiC содержат ионы металлов с полузаполненной 4f-оболочкой, для них были проведены исследования магнитных свойств, используя СКВИД-магнитометрию. Были измерены температурные и полевые зависимости намагниченности, кривые FC-ZFC и распада остаточного магнитного момента. Для системы графен/Eu/SiC сделан вывод о возникновении ферромагнитного состояния с анизотропией типа легкой плоскости. Определенные магнитные моменты в насыщении значительно меньше, чем при полной спиновой поляризации, что характерно для двумерных магнитов на основе редкоземельных элементов. Это свидетельствует о сосуществовании различных магнитных состояний. Двумерный характер магнетизма установлен на основе зависимости эффективной температуры Кюри от слабых магнитных полей. Проведено сравнение магнитных свойств с гетероструктурой графен/Sr/SiC и с родственными системами на основе Eu и Gd. Для изучения влияния металла на слой графена были проведены измерения латерального электронного транспорта в гетероструктурах. Найдены температурные зависимости сопротивления в различных магнитных полях, полевые зависимости магнетосопротивления и эффекта Холла при различных температурах. Шубниковские осцилляции во всех 3 материалах свидетельствуют о сохранении электронных свойств графена в составе гетероструктур. На основе квантовых осцилляций определены концентрации и эффективные массы носителей заряда. В системе графен/Eu/SiC показано возникновение спиновой поляризации носителей заряда в графене. В частности, эффект близости приводит к отрицательному магнетосопротивлению и аномальному эффекту Холла. Анализ магнетосопротивления в парамагнитной области позволил определить критический индекс для магнитного перехода.