Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время исследования в направлении изучения спиновой электронной структуры различных низкоразмерных систем привлекают повышенное внимание вследствие бурного развития нового направления наноэлектроники - спинтроники, основанной на управлении спином электрона вместо его заряда [1, 2]. Хорошо известно, что именно спиновая поляризация квантовых состояний в слоистых системах на основе чередующихся слоев магнитных и благородных металлов приводит к модуляции магнитных свойств и эффекту осциллирующего магнитосопротивления в зависимости от толщины слоя немагнитного металла, обусловленному различием в транспортных характеристиках для электрона с различными проекциями спина [3]. Этот эффект находит в настоящее время широкое применение при разработке устройств записи и считывания информации [4]. Другой возможностью, приводящей к спиновой поляризации электронных состояний, является спин-орбитальное взаимодействие, в результате которого модифицируются спиновые характеристики низкоразмерных систем без влияния магнитного поля. И это может быть использовано для существенного уменьшения размеров спиновых устройств. Эффект индуцированного подложкой спин-орбитального взаимодействия, подробно исследованный в данной работе, приводит к расщеплению электронных состояний по спину в тонких слоях лёгких металлов и даже графена, в которых в обычных условиях величина спин-орбитального расщепления электронных состояний пренебрежимо мала. Это открывает дополнительные обширные возможности для конструирования спиновых низкоразмерных устройств на основе металлов любого типа. Поэтому тема диссертационной работы является безусловно актуальной.
Цель диссертационной работы. Работа заключалась в исследовании электронной энергетической и спиновой структуры в тонких слоях металлов для выявления закономерностей спин-орбитального взаимодействия и факторов, определяющих это взаимодействие. Для этого исследовались тонкие эпитак-сиальные слои благородных и простых металлов (Au, Ag, Си, Al, Mg) с различным атомным номером Z, формируемые на подложках W(110) и Мо(ПО) также с различным атомным номером, для выявления роли адсорбируемого металла и подложки, соответствующего внутриатомного градиента потенциала атомов подложки и гибридизации с электронными состояниями подложки в формировании исследуемой спиновой структуры электронных состояний в тонких слоях металлов.
Научная новизна. Работа содержит большое количество новых экспериментальных результатов и сформулированных научных заключений. Ниже перечислены наиболее важные из них. В работе впервые:
1. Показан и проанализирован дискретный характер изменения энергий квантовых электронных состояний в зависимости от толщины при формировании каждого нового монослоя в ультратонких слоях Си, Al, Mg на поверхностях W(110) и Мо(ПО). Выявлена прямая взаимосвязь меж-
ду энергиями квантовых электронных состояний и толщиной слоя, позволяющая производить прецизионную калибровку напыляемых слоев с точностью до долей монослоя.
Проведены исследования методом спин-разрешённой фотоэлектронной спектроскопии и выявлено спиновое энергетическое расщепление электронных валентных состояний в ультратонких слоях и монослойных покрытиях благородных (Au, Ag, Си) и простого (А1) металлов на поверхности W(110).
Выявлено, что обнаруженная спиновая поляризация квантовых и интерфейсных состояний обусловлена эффектом индуцированного спин-орбитального взаимодействия. Причём, если для тонких слоев Au, Ag, Си и частично А1 поведение спин-поляризованных квантовых электронных состояний может быть описано в рамках модифицированной модели Рашба (с ростом параллельной составляющей импульса к\\ увеличивается величина расщепления), то для интерфейсных состояний спиновое расщепление обусловлено взаимодействием с поверхностными d резонансами подложки и характеризуется уменьшением величины расщепления с ростом к\\.
Для тонких слоев А1 на W(110) обнаружен спин-зависимый эффект „непересечения" электронных состояний при взаимодействии квантовых и интерфейсных состояний, проявляющийся в появлении локальной области запрещённых состояний и существенном искажении дисперсионных зависимостей для состояний с различной проекцией спина.
Показано различное проявление эффекта индуцированного спин-орбитального расщепления квантовых электронных состояний в тонких слоях металлов в областях вне и внутри запрещённой зоны в электронной структуре подложки W(110): а) вне запрещённой зоны - в соответствии с модифицированной моделью Рашба, б) внутри запрещённой зоны - исходя из особенностей гибридизации электронных состояний с различной проекцией спина.
Показано, что для тонких слоев Mg на поверхности W(110) и Мо(ПО) эффект спинового расщепления проявляется в значительно меньшей степени вследствие локализации формируемых гибридизованных состояний вблизи поверхности (в результате взаимодействия с поверхностными состояниями Mg, в отличии от Au, Ag, Си, А1, где волновые функции гибридизованных состояний локализованы вблизи межфазовой границы).
Обнаружено аномально высокое спиновое расщепление 7г состояния квазисвободного графена при взаимодействии с нижележащим монослоем
Au, КОТОрОе ДОПОЛНИТеЛЬНО увеличивается В облаСТЯХ Пересечения 7Г состояния графена и Au d состояний вследствие спин-зависимого эффекта „непересечения".
Практическая значимость. Изучение эффекта индуцированного спин-орбитального расщепления электронных состояний и основных факторов, его определяющих, а также изучение особенностей спиновой электронной структуры систем на основе комбинаций различных металлов является необходимым и важным для поиска новых перспективных систем спинтроники и прогнозирования работ соответствующих спиновых электронных устройств. В частности, определение основных параметров, определяющих спиновое расщепление электронных состояний при различных комбинациях контактирующих лёгких и тяжёлых металлов, позволит предсказывать спиновые характеристики прогнозируемых спиновых устройств. При этом возможность индуцированной спиновой поляризации электронных состояний в лёгких металлах при контакте с тяжёлыми металлами позволит существенно расширить перечень материалов со спиновыми характеристиками, необходимыми для конструирования высокоэффективных спиновых устройств.
Обнаруженный эффект индуцированной спиновой поляризации 7г состояния графена на монослое золота при сохранении его линейной дисперсионной зависимости в области точки К зоны Бриллюэна и всех соответствующих уникальных электронных свойств графена может быть эффективно использован при разработке спинового графенового транзистора со сверхвысоким быстродействием.
Научные положения, выносимые на защиту:
Электронные квантовые и интерфейсные состояния в тонком слое благородного (Au, Ag, Си) или простого (А1) металлов, эпитаксиально выращенного на поверхности монокристалла немагнитного металла с большим атомным номером (W(110)), характеризуются энергетическим расщеплением для состояний с различной проекцией спина.
Величина энергетического расщепления для состояний с различной проекцией спина для всех исследованных металлов практически не зависит от типа напыляемого металла и его атомного номера, а определяется материалом подложки, его атомным номером и особенностями электронной структуры.
Энергетическое расщепление интерфейсных состояний с различной проекцией спина, формируемых при монослойных покрытиях Au, Ag, Си и А1 на поверхности W(110), вызвано индуцированным подложкой спин-орбитальным взаимодействием. Зависимость величины расщепления от значения параллельной составляющей импульса к\\ для этих состояний, в отличие от квантовых электронных состояний, не описывается в рамках модели Рашба. При этом величина расщепления не зависит практически от адсорбируемого металла, а определяется материалом подложки и достигает значений 350-500 мэВ.
Гибридизации квантовых состояний в тонких слоях алюминия на W(110) с интерфейсными состояниями, формирующимися на границе A1-W, при-
водит к зависящему от спина эффекту "непересечения" дисперсионных зависимостей электронных состояний и существенной модификации электронной энергетической и спиновой структуры.
5. Электронная структура графена, сформированного поверх монослоя золота в системе MG/Au/Ni(lll)/W(110), характеризуется аномально высоким спиновым расщеплением 7г состояния графена и соответствующим спин-зависимым эффектом „непересечения" дисперсионных зависимостей, обусловленным гибридизацией 7г состояния графена с d состояниями золота.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены и обсуждались на следующих российских и международных конференциях: 7th International Workshop „Fullerenes and Atomic Clusters" (IWFAC) (Санкт-Петербург, 2005), 15th International Conference on Vacuum Ultraviolet Radiation Physics (VUV XV) (Berlin, 2007), I Международный Междисциплинарный Симпозиум „Физика низкоразмерных систем и поверхностей „Low Dimensional Systems" (LDS) (Ростов-на-Дону, 2008), Международный форум по Нанотех-нологиям „Rusnanotech" (Москва, 2008), Russian-German Workshop on the Development and Use of Accelerator-Driven Photon Sources (Berlin, 2009), XIII Международный Симпозиум „Нанофизика и Наноэлектроника" (Нижний Новгород, 2009), VII Национальная конференция „Рентгеновское, Синхротрон-ное излучения, Нейтроны и Электроны для исследования наносистем и материалов, Нано-Био-Инфо-Когнитивные технологии" (РСНЭ-НБИК) (Москва, 2009), BESSY Users' Meeting (Berlin, 2010), WE-Heraeus-Seminar „Rashba and related spin-orbit effects in metals" (Bad Honnef, 2010), а также на научных семинарах СПбГУ.
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 12 печатных работах, из них б статей в рецензируемых журналах [А1, А2, A3, А4, А5, А6], 2 статьи в сборниках трудов конференций [А7, А8] и 4 тезисов докладов.
Личный вклад автора. Все результаты, представленные в работе, получены соискателем лично, либо в соавторстве при его непосредственном участии.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, литературного обзора и шести глав. Работа изложена на 159 страницах, включая 91 рисунок. Список литературы содержит 131 ссылку.
