Интеркаляционные системы на основе графена и магнитных металлов: синтез, электронное строение и магнитные свойства тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат наук Лобанова Евгения Юрьевна

• Лобанова Евгения Юрьевна
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Лобанова Евгения Юрьевна

Оглавление

Стр.

Реферат

Synopsis

Введение

Глава 1. Обзор литературы

1.1 Электронная структура графена на подложке

1.2 Интеркаляция CVD-графена

1.3 Интеркаляция графена, полученного на карбиде кремния

Глава 2. Метод функционала плотности

2.1 Теоретические основы

2.2 Практическое применение

Глава 3. Техника эксперимента

3.1 Дифракция медленных электронов

3.2 Фотоэлектронная спектроскопия

3.3 Ближняя тонкая структура рентгеновских спектров поглощения

3.4 Экспериментальная станция

Глава 4. Интеркалирование графена на Ni(111)

4.1 Экспериментальная часть

4.2 Теоретическая часть

4.3 Выводы по главе

Глава 5. Интеркалирование графена на SiC(0001)

5.1 Экспериментальная часть

5.2 Теоретическая часть

5.3 Выводы по главе

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Стр.

Список литературы

Список рисунков

Список таблиц

Тексты публикаций

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Интеркаляционные системы на основе графена и магнитных металлов: синтез, электронное строение и магнитные свойства»

Реферат

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ

Диссертация посвящена изучению новых материалов на основе графена и ферромагнитных металлов. Графен - двумерный кристалл, состоящий из атомов углерода, выстроенных в гексагональную решетку. Привлекательность графена для различных технологических приложений обусловлена его выдающимися характеристиками: графен механически прочен, прозрачен, химически стабилен и, главное, обладает рекордно высокой подвижностью носителей заряда, что делает его особенно перспективным для применений в электронике. Кроме того, большая длина спиновой релаксации и слабое спин-орбитальное взаимодействие в графене вызывают интерес разработчиков спинтронных устройств. В этой связи представляют интерес материалы на основе графена, ферромагнитных металлов и их силицидов. Потенциальным применением подобных интерфейсов является инжек-ция спин-поляризованных электронов в графен. Для реализации этой возможности материал должен обладать большой величиной спиновой поляризации. Такой особенностью обладают, например, силициды переходных металлов - кобальта и железа. Также в последние годы активно исследуется возможность применения материалов на основе графена и ферромагнитных металлов в устройствах магнитной памяти. Это связано с тем, что графен не только защищает металлы от окисления, но и способствует сохранению в них перпендикулярной магнитной анизотропии в широком диапазоне толщин пленок. Поэтому объектами исследования в настоящей диссертационной работы были выбраны гибридные материалы на основе графена, ферромагнитных металлов (железа и кобальта) и их силицидов.

Одним из подходов к синтезу таких гибридных материалов является интер-каляция, то есть получение новых материалов путем внедрения атомов нужных веществ под графен. Этот метод дает возможность эффективно управлять фазовым составом и электронным строением получаемых материалов. Кроме того, интеркаляция позволяет синтезировать под графеном такие пленки, на которых прямой рост графена невозможен.

Наиболее популярными методами синтеза эпитаксиального графена в настоящее время являются химическое осаждение из газовой фазы и термическое

разложение карбида кремния. Эти методы позволяют получать высококачественный графен большой площади на металлических и диэлектрических подложках, соответственно. Образцы графена, полученного именно этими методами, были выбраны в качестве исходных объектов исследования в данной работе.

Целью диссертационной работы являлось систематическое изучение элементного и фазового состава, электронного строения и магнитных свойств интерфейсов на основе графена, ферромагнитных металлов и кремния, полученных с использованием интеркаляционного подхода.

Для достижения данной цели в рамках диссертации были поставлены и решены следующие задачи:

1. Анализ основных подходов к интеркаляционному синтезу новых материалов на основе графена на подложках №(111) и SiC(0001) и исследованию их электронной структуры.

2. Исследование начальных этапов интеркалирования графена на подложках SiC(0001) и Ni(111) атомами железа, кобальта и кремния и исследование их химического, фазового состава и магнитных свойств.

3. Расчет геометрических параметров и электронной структуры пленок методом функционала плотности.

4. Определение мест локализации интеркалируемых атомов.

5. Выявление механизмов влияния интеркалированных атомов железа, кобальта и кремния на электронную структуру графена.

6. Анализ полученных данных и их сравнение с результатами, полученными ранее по рассматриваемой тематике.

Методы исследования. В диссертации применялись современные экспериментальные методы диагностики поверхности: рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, дифракция медленных электронов, спектроскопия поглощения рентгеновского излучения. Все эксперименты были проведены in situ в условиях сверхвысокого вакуума. Металлы и кремний наносились методом термического распыления. Количество наносимого материала контролировалось при помощи кварцевых микровесов и анализа фотоэлектронных спектров. Графен на Ni(111) синтезировался in situ методом химического испарения из газовой фазы (CVD). Для получения графена на подложке SiC(0001) использовалось термическое разложение карбида кремния в среде инертного газа. Все теоретические расчеты выполнены в рамках метода функционала плотности, реализованного в пакете Quantum ESPRESSO.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. При 400 °C интеркаляция системы графен/№(111) кобальтом происходит в широком диапазоне покрытий до 17 монослоев кобальта. Графен прочно связан с верхним слоем атомов кобальта. Последующее интерка-лирование системы кремнием приводит к образованию упорядоченной поверхностной фазы Co3Si со структурой (V3 х V3) R30°, а также силицида Co2Si и твердого раствора Co-Si.

2. Внедрение кремния под графен на №(111), интеркалированный кобальтом или железом, приводит к резкому уменьшению взаимодействия атомов углерода с подложкой, что обуславливает формирование на поверхности квазисвободного графена.

3. Интеркаляция системы графен^Ю(0001) кобальтом или железом происходит при напылении металлических пленок на образцы, нагретые до температур 400 - 500 °C.

4. Интеркаляция системы графен^Ю(0001) кобальтом или железом и кремнием и образование их силицидов приводит к переходу от сильной гибридизации к формированию на поверхности системы квазисвободного двухслойного графена за счет трансформации буферного слоя во второй слой графена.

Научная новизна диссертации отражена в следующих пунктах:

1. Опробован метод интеркаляционного синтеза пленок кобальта и его силицидов под графеном на подложке №(111). Продемонстрирована возможность интеркаляции толстых (до 17 МС) пленок кобальта под графен. Показано, что последующая интеркаляция кремния позволяет получать под графеном силициды кобальта различной стехиометрией, причем фазовый состав пленок можно варьировать, выбирая дозу интеркалирован-ного кремния и температуру прогрева образца.

2. Найдены оптимальные условия интеркаляционного синтеза пленок железа и кобальта под графеном на карбиде кремния. Показано, что активация интеркаляционного процесса происходит при температуре подложки 350 o C. Оптимальная температура для формирования металлических пленок под графеном составляет 450o C. Установлено, что интеркалиро-вание графена на карбиде кремния кобальтом и железом при температурах выше 600 °С сопровождается химическим взаимодействием атомов

металлов с карбидом кремния, приводящим к синтезу их силицидов и сопровождающемся частичным разрушением подложки.

3. Исследован синтез силицидов железа и кобальта под графеном на карбиде кремния. Напыление на нагретую до температуры 500 °С поверхность графена с интеркалированным металлическим слоем кремния ведет к формированию под графеном твердых растворов Co-Si и Fe-Si, а также поверхностных силицидов Fe3Si и Co3Si, причем соотношение этих фаз можно варьировать при помощи последующего отжига.

4. Рассчитана электронная структура систем графен/Ре/№(111), гра-фен/Со/№(111), графен/FeзSi/Ni(Ш), графен/CoзSi/Ni(Ш). Выявлены основные закономерности влияния интеркалированных атомов на электронную структуру графена на подложке Ni(111). Показано, что графен сильно взаимодействует с интеркалированными металлическими пленками, в то время как внедрение кремния приводит к релаксации графена и его переходу в квазисвободное состояние.

5. Рассчитана электронная структура систем графен/Ре^Ю(0001), гра-фен/Co/SiQOOOl), графен/FeзSi/SiC(0001), графен/CoзSi/SiC(0001). Показано, что основные механизмы взаимодействия графена с интеркалированными пленками для случая подложки Ni(111) в данном случае выполняются для буферного слоя атомов углерода между графеном и подложкой: он оказывается сильно связан с металлическими пленками, но после внедрения атомов кремния трансформируется во второй слой графена.

Теоретическая значимость результатов диссертационной работы состоит в том, что в ней проведено систематическое исследование процессов формирования интеркаляционных систем на основе графена и ферромагнитных металлов. Выявлены закономерности изменений электронной структуры графена при его интеркалировании ферромагнитными металлами и кремнием.

Практическая значимость результатов диссертационной работы состоит в перспективах практического применения изученных материалов в спинтронных устройствах.

Aпробация. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: школа молодых ученых в рамках 13, 14 и 15 конференции "Advanced Carbon Nanostructures" (Санкт-Петербург, 2017, 2019, 2021), 18, 19, 20, 21, 22 Всероссийской молодежной конференции по физике полупро-

водников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике (Санкт-Петербург, 2015, 2016, 2017, 2018, 2019, 2020), международной конференции "Advanced Materials Week"(Санкт-Петербург, 2019), 51, 52, 53 школе ПИЯФ по физике конденсированного состояния (Санкт-Петербург, 2017, 2018, 2019), Международной конференции ФизикА.СПб (Санкт-Петербург, 2016, 2017,2018, 2019, 2021), Пятьдесят первой научной и учебно-методической конференции Университета ИТМО (Санкт-Петербург, 2022).

Личный вклад автора. Все представленные в диссертации результаты получены автором лично или при ее участии. Личный вклад автора состоит в постановке задач, непосредственном участии в экспериментах по синтезу интеркаляци-онных систем на основе графена на карбиде кремния, обработке и интерпретации экспериментальных данных, проведении первопринципных расчетов, анализе и публикации результатов, представлении результатов работы на конференциях.

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием современных теоретических и экспериментальных методов, имеющих широкую апробацию в научной литературе; воспроизводимостью разработанных методов получения интеркаляционных систем; согласием результатов теоретических расчетов электронной структуры с опубликованными экспериментальными данными, полученными методом фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением.

Публикации. Основные результаты по теме диссертации изложены в 14 публикациях. Из них 8 изданы в журналах, рекомендованных ВАК, 5 опубликованы в изданиях, индексируемых в базах цитирования Scopus или Web of Science.

В международных изданиях, индексируемых в базах данных Scopus или Web of Science:

1. Grebenyuk G.S., Lobanova E.Y., Smirnov D.A., Pronin I.I. Intercalation of graphene formed on silicon carbide with iron, cobalt and silicon atoms // Journal of Physics: Conference Series. - 2020. - V. 1697 (1). - P. 012105.

2. Grebenyuk G.S., Dunaevsky S.M., Lobanova E.Y., Smirnov D.A., Pronin I.I. Formation of graphene-capped cobalt silicides // Applied Surface Science. -2019. -V. 470. - P. 840-845.

3. Lobanova E.Y., Pronin I.I. Effect of iron intercalation on graphene/SiC electronic structure // Journal of Physics: Conference Series. - 2019. - V. 1400 (5). - P. 055047.

4. Grebenyuk G.S., Gomounova M.V., Lobanova E.Y., Smirnov D.A., Pronin I.I. Graphene modification via cobalt and silicon intercalation //Journal of Physics: Conference Series. - IOP Publishing, 2017. - Т. 917. - №. 9. - С. 092006.

5. Гребенюк Г.С., Лобанова Е.Ю., Пронин И.И. Влияние интеркалиро-ванного кремния на электронную структуру графена [The influence of the intercalated silicon on the graphene electronic structure] // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматери-алов: межвузовский сборник научных трудов [Physical and chemical aspects of the study of clusters nanostructures and nanomaterials] -2018. -№10.-С. 234-241

В изданиях из перечня ВАК РФ:

1. Дунаевский С.М., Лобанова Е.Ю., Михайленко Е.К., Пронин И.И. Электронная структура графена на карбиде кремния, интеркалированного атомами кремния и кобальта // Физика твердого тела - 2021. - Т. 63. -№6. - С. 706-711.

2. Гребенюк Г.С., Елисеев И.А., Лебедев С.П., Лобанова Е.Ю., Смирнов Д.А., Давыдов В.Ю., Лебедев А.А., Пронин И.И. Формирование силицидов железа под графеном, выращенным на поверхности карбида кремния // Физика твердого тела - 2020. - Т. 62. - № 10. - С. 1726-1730.

3. Гребенюк Г.С., Елисеев И.А., Лебедев С.П., Лобанова Е.Ю., Смирнов Д.А., Давыдов В.Ю., Лебедев А.А., Пронин И.И. Интеркаляционный синтез силицидов кобальта под графеном, выращенным на карбиде кремния // Физика твердого тела - 2020. - Т. 62. - № 3. - С. 462-471.

4. Гребенюк Г.С., Лобанова Е.Ю., Смирнов Д.А., Елисеев И.А., Зубов А.В., Смирнов А.Н., Лебедев С.П., Давыдов В.Ю., Лебедев А.А., Пронин И.И. Интеркалирование графена на карбиде кремния кобальтом // Физика твердого тела - 2019. - Т. 61. - № 7. - С. 1374-1384.

5. Гомоюнова М.В., Гребенюк Г.С., Давыдов В.Ю., Ермаков И.А., Елисеев И.А., Лебедев А.А., Лебедев С.П., Лобанова Е.Ю., Смирнов А.Н., Смирнов Д.А., Пронин И.И. Интеркалирование графена, сформированного на карбиде кремния,атомами железа // Физика твердого тела - 2018. - Т. 60. - № 7. - С. 1423 - 1430.

6. Дунаевский С.М., Лобанова Е.Ю., Михайленко Е.К., Пронин И.И. Исследование электронной структуры системы графен-железо-никель // По-

верхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования -2018. -№ 12. - С. 70-75.

7. Дунаевский С. М., Лобанова Е.Ю., Михайленко Е.К., Пронин И.И. Электронная и магнитная структура интеркалированных пленок графена //Физика твердого тела. - 2018. - Т. 60. - №. 6. - С. 1202-1206.

8. Пронин И.И., Дунаевский С.М., Лобанова Е.Ю., Михайленко Е.К. Модификация электронной структуры графена интеркаляцией атомов железа и кремния // Физика твердого тела - 2017. - Т. 59. - № 10. - С. 2037-2043.

В иных изданиях:

1. E.Yu. Lobanova, E.K.Mikhailenko, G.S.Grebenyuk. //Reviews on Advanced Materials and Technologies. 2020. - V. 2, № 4. - P. 42-46. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения. Полный объем диссертации составляет 239 страниц, включая 42 рисунка и 2 таблицы. Список литературы содержит 95 наименований.

Заключение диссертации по теме «Физика конденсированного состояния», Лобанова Евгения Юрьевна

3. Заключение

Таким образом, в настоящей работе для системы графен / Si / Co (111)

впервые определены места наиболее энергетически выгодного положения атомов кремния в межслоевом пространстве графен-кобальт. Показано, что атомы кремния занимают fcc положения относительно атомов кобальта и находятся на расстоянии 1,61Ä от плоскости Co (111). При этом графен

оказывается удаленным от слоя атомов кремния на 2,73Ä, что значительно превышает соответствующее значение 2,09Ä для системы Gr / Co (111).

Увеличение расстояния между атомами углерода и подложкой приводит к существенному ослаблению связи с ней графена и восстановлению электронной структуры квазисвободного графена.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект №16-02-00387) и Министерства науки и высшего образования РФ (задание 3.3161.2017/4.6 проектной части государственного задания).

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Лобанова Евгения Юрьевна, 2022 год

Библиографический список:

1. Rougemaille, N. Perpendicular magnetic anisotropy of cobalt films intercalated under graphene / N. Rougemaille, A.T. N'Diaye, J. Coraux, et al. // Applied Physics Letters. - 2012.

- V. 101. - I. 14. - P. 142403-1-142403-3.

2. Vu, A.D. Unconventional magnetisation texture in graphene/cobalt hybrids / A.D. Vu, J. Coraux, G. Chen, et al. // Scientific Reports. - 2016. - V. 6. - Art. № 24783. - 7 p.

3. Vlaic, S. Cobalt intercalation at the graphene/iridium (111) interface: Influence of

rotational domains, wrinkles, and atomic steps / S. Vlaic, A. Kimouche, J. Coraux, et al. // Applied Physics Letters. - 2014. - V. 104. - I. 10. - P. 101602-1-101602-4.

4. Decker, R. Atomic-scale magnetism of cobalt-intercalated graphene / R. Decker, J. Brede, N. Atodiresei, et al. // Physical Review B. - 2013. - V. 87. - I. 4. - P. 041403-1-041403-5.

5. Vita, H. Electronic structure and magnetic properties of cobalt intercalated in graphene on Ir (111) / H. Vita, S. Bottcher, P. Leicht, et al. // Physical Review B. - 2014. - V. 90. - I. 16.

- P. 165432-1-165432-10.

6. Pacile, D. Electronic structure of graphene/Co interfaces / D. Pacile, S. Lisi, I. Di Bernardo, M. Papagno, L. Ferrari, et al. // Physical Review B. - 2014. - V. 90. - I. 19.

- P. 195446-1-195446-6.

7. Vilkov, O. Controlled assembly of graphene-capped nickel, cobalt and iron silicides / O. Vilkov, A. Fedorov, D. Usachev, et al. // Scientific Reports. - 2013. - V. 3. - Art. № 2168.

- 7 p.

8. Grebenyuk, G.S. Intercalation synthesis of graphene-capped iron silicide atop Ni(111):

evolution of electronic structure and ferromagnetic ordering / G.S. Grebenyuk, O.Yu. Vilkov, A G. Rybkin, et al. // Applied Surface Science. - 2017. - V. 392. - P. 715-722.

9. Usachov, D.Yu. Electron-phonon coupling in graphene placed between magnetic Li and Si layers on cobalt / D.Yu. Usachov, A.V. Fedorov, O.Yu. Vilkov, et al. // Physical Review B. - 2018. - V. 97. - I. 8. - P. 085132-1-085132-8.

10. Гомоюнова, М.В. Сверхтонкие эпитаксиальные пленки кобальта, сформированные под графеном / М.В. Гомоюнова, Г.С. Гребенюк, Д.А. Смирнов, И.И. Пронин // Физика твердого тела. - 2017. - Т. 59. - Вып. 10. - С. 2027-2031.

11. Дунаевский, С.М. Электронная и магнитная структура интеркалированных пленок графена / С.М. Дунаевский, Е.Ю. Лобанова, Е.К. Михайленко, И.И. Пронин // Физика твердого тела. - 2018. - Т. 60. - Вып. 6. - С. 1202-1206.

12. Giannozzi, P. QUANTUM ESPRESSO: a modular and opensource software project for quantum simulations of materials / P. Giannozzi, S. Baroni, N. Bonini, et al. // Journal of Physics: Condensed Matter. - 2009. - V. 21. - № 39. - P. 395502-1-395502-19.

13. Пронин, И.И. Модификация электронной структуры графена интеркаляцией атомов железа и кремния / И.И. Пронин, С.М. Дунаевский, Е.Ю. Лобанова, Е.К. Михайленко // Физика твердого тела. - 2017. - Т. 59. - Вып. 10. - С. 2037-2043.