Введение к работе
Актуальность темы. Определение структурных, электронных и транспортных свойств графена и различных планарных структур на его основе в последнее время становится важной задачей современной физики конденсированного состояния. Известно, что графен - перспективный материал для создания устройств нано-электроники и спинтроники, он является одним из главных кандидатов на роль основного материала посткремниевой электроники из-за высокой подвижности носителей заряда и других уникальных свойств. Слабая спин-орбитальная связь, высокая подвижность зарядов и большая длина спиновой релаксации в графене делают возможным при комнатной температуре спиновый транспорт на субмикронных расстояниях. Недавно [1] был предложен спиновый полевой транзистор, в котором в качестве канала выступает графеновая нанополоса. В работе [2] обоснован механизм избирательной проводимости для разных направлений спинов в графене под действием внешнего электрического ПОЛЯ.
Поскольку графен является двумерным материалом, состоящим из атомного слоя углерода, его электронные, магнитные и оптические свойства сильно зависят от выбора подложки. За последние годы успешно синтезированы и исследованы графеновые слои на поверхности многих металлов Ni, Ru, Pd, Mo, Pt, Ir, карбидов и оксидов SiC, SiC»2, AI2O3. Среди возможных подложек для графена представляют интерес диэлектрические подложки, которые могут играть роль подзатворного диэлектрика в составе структур металл-диэлектрик-полупроводник (МДП). В качестве подложки-диэлектрика может использоваться а-А120з, высокая диэлектрическая проницаемость и доступность которого делают его перспективным материалом для синтеза планарных структур на основе графена, что подтверждают известные экспериментальные работы последних двух лет [3]. Магнитные наноструктуры на основе графена могут с успехом применяться [4] как компоненты магниторезистив-ных контактов, где графен выступает в качестве немагнитной прослойки между ферромагнитными металлическими слоями. В частности, интерфейс гра-фен/ферромагнитный металл недавно стал объектом повышенного внимания благодаря возможности использования эффектов спиновой фильтрации и гигантского магнетосопротивления. Однако магнетизм в интерфейсе графен/антиферромагнетик также может оказаться перспективным с точки зрения применения в устройствах спинтроники. Среди антиферромагнитных диэлектриков монооксид марганца МпО особо интересен, благодаря высокоспиновому основному состоянию иона Mn .
Несмотря на перспективность интерфейсов графен/а-А1203 и графен/MnO, фактически нет ни одной теоретической работы, посвященной систематическому изучению особенностей их атомной и электронной структуры. Наиболее эффективны-
ми и иногда единственно возможными методами для определения и предсказания этих особенностей являются расчетные методы в рамках теории функционала плотности. Таким образом, тема диссертации, посвященной систематическому исследованию зонной структуры, когезионных, транспортных и магнитных свойств интерфейсов типа графен/МеО (Ме=А1, Мп) с использованием современных методов квантовой теории твердого тела, является актуальной и своевременной.
Целью работы является установление особенностей зонной структуры, природы межатомных взаимодействий, структурных, адсорбционных, магнитных и транспортных свойств графеновых интерфейсов на немагнитных и магнитных диэлектрических подложках систем графен/А120з и графен/МпО. Для достижения поставленной цели ставились задачи:
провести поиск обменно-корреляционного функционала в обобщенном градиентном приближении (GGA), описывающего наиболее точно структурные и электронные свойства рассчитываемых углеродных структур и интерфейсов;
рассчитать эффективные модельные псевдопотенциалы для методов, использующих плоские волны, чтобы описать взаимодействия валентных электронов с электронами внутренних оболочек и ядрами различных атомов;
рассчитать атомные и электронные свойства и оценить величины параметров ячейки, межатомных расстояний и транспортных характеристик простых углеродных 3D- и 2Б-структур, а также кристаллов некоторых оксидов для сопоставления с экспериментальными данными;
разработать методики расчета полярных поверхностей с использованием схем пассивации и дипольной коррекции для устранения оборванных связей в модели пластины и дипольных моментов в пространстве вакуумной щели;
построить поверхностные сверхрешетки, моделирующие бесконечный периодический интерфейс и рассмотреть различные укладки атомов графена относительно атомов подложки;
смоделировать методом молекулярной динамики и DFT-минимизации процессы адсорбции графена на подложку для поиска оптимальной ориентации атомов в интерфейсах;
выявить закономерности изменения зонной структуры, структурных свойств и природы межатомных взаимодействий в интерфейсах;
Объекты исследования:
углеродные структуры (алмаз, графит, графен, двойной слой графена);
оксиды а-А1203, МпО, и их поверхностей а-А12О3(0001), MnO(OOl) и МпО(111);
интерфейсы: графен/а-А12Оз(0001)Аі; графен/а-А12О3(0001)о;
BLG/Al2O3(0001)o; графен/МпО(111)м„; графен/МпО(111)0 и графен/МпО(001).
Научная новизна работы состоит в том, что впервые
рассчитаны структурные и электронные свойства объемных и двумерных углеродных структур - алмаз, графит, графен, двухслойный графен методом псевдопотенциала и методом проекционных присоединенных волн с использованием модифицированного обменно-корреляционного функционала в форме PBEsol и сконструированных в работе эффективных потенциалов.
определены структура и электронные свойства интерфейсов графен/а-А12Оз(0001)А1, графен/а-А12Оз(0001)о и BLG/Al2O3(0001)o в рамках единого метода проекционных присоединенных волн с использованием обменно-корреляционных функционалов в приближениях LDA (PZ, PW) и GGA (PW91, РВЕ, PBEsol).
установлены закономерности изменения зонного спектра графена вблизи уровня Ферми в интерфейсе графен/а-А12Оз(0001)аі и показана возможность изменения типа проводимости графена под влиянием подложки.
рассчитаны структурные и электронные свойства интерфейсов гра-фен/МпО(111)мп, графен/МпО(111)о с использованием как стандартных GGA-функционалов в форме РВЕ, так и с использованием приближения PBE+t/.
установлены атомная и электронная структура и механизмы адсорбции графена на подложку в интерфейсе графен/МпО(001).
рассчитаны магнитные свойства графена в интерфейсе гра-фен/антиферромагнетик.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
Графен взаимодействует с подложкой а-А12Оз(0001), ограниченной алюминием, по механизму физической адсорбции, то есть энергия связи в интерфейсе составляет не более 40 мэВ/(атом С), а равновесное расстояние между поверхностью и атомами углерода d ~ 2,9 А.
-
В интерфейсе графен/а-А12Оз(0001) подложка, ограниченная атомами алюминия, оказывает влияние на зонный спектр графена вблизи точки Дирака, в результате чего появляется энергетическая щель между связывающей и антисвязывающеи 7г-зонами графена шириной около 50 мэВ.
-
В интерфейсе графен/а-А12О3(0001)о графен образует с поверхностными атомами кислорода химическую связь типа ковалентной, что приводит к искажению планарной структуры графена и модификации зонных спектров и поверхности, и графена с возникновением интерфейсных состояний.
-
В двумерных системах графен/МпО(111) взаимодействие графена с подложкой сопровождается появлением интерфейсных зон вблизи уровня Ферми, что обусловлено перекрытием и гибридизацией /?2-состояний, наиболее удаленных от подложки атомов углерода, с поверхностными состояниями атомов марганца и кислорода.
5. Взаимодействие графена с полярной поверхностью (111) антиферромагнетика МпО сопровождается появлением магнитных моментов на атомах углерода величиной до 0,6 //в и возникновением в графене магнитного упорядочения, которое зависит от состава и структуры поверхности подложки.
Практическая значимость работы: Полученные результаты могут быть использованы для интерпретации спектроскопических, энергетических, магнитных и других функциональных свойств графеновых интерфейсов. Изученные интерфейсы могут служить модельными системами для направленного синтеза новых гете-роструктур, перспективных для современных электронных устройств графеновой наноэлектроники и спинтроники.
Надежность и достоверность полученных в работе результатов обеспечиваются использованием эффективного и надежного метода псевдопотенциала и наиболее точного полноэлектронного метода PAW с использованием базиса плоских волн в рамках мощного и хорошо зарекомендовавшего себя программного пакета Quantum Espresso с открытым исходным кодом. В некоторых случаях для сравнения результатов в работе использовался хорошо апробированный метод LAPW реализованный в программном пакете WIEN2L Достоверность полученных данных подтверждается согласием результатов расчетов с использованием различных обменно-корреляционных функционалов с известными экспериментальными данными и результатами расчетов других авторов.
Личный вклад автора. Выбор темы, методов расчета и формулировка основных выводов и положений, выносимых на защиту, проводились совместно с научным руководителем Илясовым В.В.. Эффективные потенциалы для атомов и модифицированные обменно-корреляционные функционалы для проведения расчетов построены лично автором. Расчеты всех исследованных соединений и интерфейсов, а также моделирование интерфейсов и разработка методик пассивации поверхностей и дипольных коррекций для полярных поверхностей также осуществлены лично автором. В анализе и обсуждении полученных результатов по атомной и зонной структуре исследованных систем принимал активное участие профессор Никифоров И.Я. и другие соавторы совместно опубликованных работ.
Работа выполнена в рамках темы 1.26.11. тематического плана ДГТУ 2011 года по заданию Минобрнауки РФ и частично - по Государственному контракту на выполнение НИР от 29 апреля 2011 года, № 16.552. 11.7027 Минобрнауки РФ.
Апробация основных результатов происходила на 4-ой Международной научно-практической конференции «Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования, образование» (Санкт-Петербург, 2007), Международном симпо-
зиуме «Упорядочение в минералах и сплавах», ОМА-10, 12 - 14» (Россия, п. Лоо, 2007 - 2011), Международном междисциплинарном симпозиуме «Физика низкоразмерных систем и поверхностей», LDS-2008, 2010 (Россия, п. Лоо, 2008, 2010), 9-ом Международном симпозиуме «Фуллерены и атомные кластеры», IWFAC09» (Россия, Санкт-Петербург, 2009), Международной научно-технической конференции «Нанотехнологии-2010» (Россия, п. Дивноморское, 2010), Всероссийской конференции «Нано-2011» (Россия, Москва, 2011), Международном симпозиуме «Современные углеродные наноструктуры», ACN-2011» (Россия, Санкт-Петербург, 2011), Международном междисциплинарном симпозиуме «Среды со структурным и магнитным упорядочением», Multiferroics-З (Россия, п. Лоо, 2011).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 23 работы, среди которых 6 статей в рецензируемых ведущих российских и зарубежных журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, 4 статьи - в электронном журнале, 9 статей - в сборниках трудов всероссийских и международных конференций и 4 тезиса - в сборниках тезисов докладов международных и всероссийских конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, выводов, списка цитируемой литературы из 185 наименований и списка публикаций автора, изложенных на 217 страницах, содержит 98 рисунков и 21 таблицу.
