Введение к работе
Актуальность темы исследования. Интерес к созданию двумерных поверхностных сплавов и бинарных систем на поверхности твердых тел вызван рядом уникальных эффектов, возникающих только в поверхностных слоях и в двумерном электронном газе, таких как расщепление электронных состояний по спину (эффект Рашбы-Бычкова) [1], 2D сверхпроводимость [2], квантовый эффект Холла [3] и т.д.
Особый интерес вызывает эффект Рашбы-Бычкова, обусловленный снятием вырождения электронных состояний по спину в двумерном электронном газе без приложения внешнего магнитного поля. Использование этого эффекта является одним из возможных подходов для реализации полупроводниковой спиновой электроники (спинтроники).
Экспериментально эффект Рашбы впервые наблюдался на поверхности монокристаллического золота, после этого было обнаружено и исследовано достаточно большое количество систем с этим эффектом. Так, например, эффект Рашбы наблюдался на поверхностях монокристаллических металлов (Au(111), Bi(111)), модифицированных поверхностях металлов (Bi/Ag(111)) и полупроводников (Bi/Si(111), Bi/Ge(111), Tl/Si(111), Pt/Si(110)). В последнее время был обнаружен ряд низкоразмерных структур на основе элементов с сильным спин-орбитальным взаимодействием, формирующихся на поверхности металлов и полупроводников и имеющих спиновое расщепление поверхностных состояний с расщеплением по энергии достигающим 0,2 эВ [4], что достаточно для практического использования эффекта Рашбы в спинтро-нике.
Большинство поверхностных реконструкций, которые образуют элементы с большим спин-орбитальным взаимодействием на поверхности кремния, естественно, имеют спин-зависимое расщепление поверхностных состояний, однако, эти состояния не пересекают уровень Ферми, т. е. не участвуют в транспорте. Основная причина этого состоит в том, что при наличии только одного элемента (металла), характер его взаимодействия с поверхностью не допускает увеличения поверхностной плотности атомов адсорбата до такой величины, при которой происходит сильное перекрытие волновых функций валентных электронов и формирование металлической связи. Создание двумерных соединений и сплавов (т. е. многокомпонентных систем) на поверхности позволяет преодолеть это ограничение. Такой подход уже зарекомендовал себя как эффективный способ создания хорошо упорядоченных двумерных металлических сплавов [5] и двумерных металлических соединений с эффектом Рашбы [6]. Все вышесказанное определило цели и задачи данной работы.
Целью диссертационной работы является создание двумерных систем с эффектом Рашбы-Бычкова на поверхности Si(111) на основе атомов тяжелых металлов (Tl, Sn, Pb, Au) и изучение их структуры и электронных свойств.
Для достижения поставленной цели предполагалось решить следующие задачи:
-
Провести экспериментальные исследования процессов формирования, структуры и электронных свойств реконструкций, формирующихся на базе системы Si(111)1x1-Tl при адсорбции атомов Sn и Pb.
-
Провести экспериментальные исследования процессов формирования, структуры и электронных свойства реконструкций, формирующихся на базе системы Au/Si(111) при адсорбции атомов Al.
Научная новизна работы. В работе получены новые экспериментальные результаты, основными из которых являются следующие:
-
Получен ряд новых двумерных многокомпонентных соединений на поверхности кремния: Si(1 11)л/3 х лД-(Tl, Sn), Si(111)\/3 х лД-(Tl, Pb), Si(111)4x4-(Tl, Pb), Si(111)2x2-(Au, Al). Изучены атомные структуры данных соединений; предложены структурные модели.
-
Исследованы электронные структуры этих соединений, показано, что все они обладают расщепленными по спину металлическими поверхностными состояниями. Величина расщепления по спину изменяется для различных соединений в пределах от 17 до 250 мэВ по энергии и от 0,008 до 0,096 A-1 по волновому вектору.
-
На поверхности кремния получено соединение, которое сочетает гигантское спиновое расщепление по типу Рашбы-Бычкова и 2D сверхпроводимость (Тс = 2,25 К).
-
Структура 2x2-(Au, Al) демонстрирует необычную спиновую текстуру, где спины преимущественно ориентированы в направлении атомных цепочек золота, что приводит к значительной анизотропии спиновой текстуры.
Практическая ценность работы. Получен ряд новых двумерных соединений на кремнии, которые удовлетворяют основным критериям полупроводниковой спинтроники (металлические спин-расщепленные поверхностные состояния в запрещенной зоне объема с существенным значением расщепления по
энергии), что имеет практическое значение для дальнейших работ по созданию перспективных устройств спинтроники. Впервые на поверхности кремния получена структура с состоянием типа «устойчивая спиновая спираль» (persistent spin helix), особенностью которого является подавление релаксации поляризованных спинов при рассеянии носителей заряда, что важно с точки зрения спинового транспорта.
Достоверность полученных результатов. Обоснованность и достоверность результатов обеспечивается использованием современных методов исследования поверхности, таких как сканирующая туннельная микроскопия (СТМ), дифракция медленных электронов (ДМЭ), ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия с угловым разрешением (УФЭСУР) и подтверждается численными расчетами с помощью метода функционала плотности и метода расчетов полной энергии атомной структуры.
На защиту выносятся следующие основные положения:
-
Адсорбция атомов Sn на поверхность Si(1 11)1 x1-Tl приводит к формированию двумерного металлического сплава Si(1 11 )л/3 х л/3-(Tl, Sn). Полученный сплав представляет собой сэндвичеподобную структуру Tl/Sn/Si(1 11) и содержит три атома Tl и три атома Sn на элементарную ячейку л/Зхл/З. Структура обладает металлическими свойствами и ее зоны поверхностных состояний расщеплены по спину с Ак\\ = 0,037±0,001 A"1; AEF = 167±3 мэВ.
-
В системе Pb/Si(111)-Tl существуют стабильные бинарные реконструкции - л/3 х л/3 и 4x4 - с суммарным покрытием металлов выше 1 МС в пределах одного атомного слоя. Обе реконструкции образованы сото-образной сеткой тримеров Tl и внедренных в ее ячейки либо отдельных атомов Pb, в случае реконструкции Si(1 11)л/3 х лД-(Tl, Pb), либо 12-атомных массивов Pb, в случае реконструкции Si(1 11)4х4-(Tl, Pb). Обе реконструкции демонстрируют металлическое поведение и спиновое расщепление поверхностных состояний.
-
Двумерное соединение TlPb/Si(111) с периодом решетки \/3 х \/3 характеризуется высоким значением константы электрон-фононного взаимодействия А = 0,6 - 1,6 для разных поверхностных состояний.
-
Реконструкция 2x2-(Au, Al) состоит из зигзагообразных цепочек Au, связанных атомами Al. Концентрация Al может меняться без изменений базового атомного устройства. Увеличение концентрации атомов Al приводит к изменению положения уровня Ферми. Квазиодномерная природа
этой реконструкции находит отражение в анизотропной спиновой текстуре.
Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались на международных, российских и региональных конференциях, в том числе на:
Седьмом международном симпозиуме по науке о поверхности ISSS-7 (г. Мацуи, Япония, 2014 г.); Первом Азиатско-Тихоокеанском симпозиуме по поверхности твердых тел APSSS-1 (г. Владивосток, Россия, 2014 г.); Первой Азиатско-Тихоокеанская школе молодых ученых по поверхности твердых тел APSSS-1 Школа молодых ученых (г. Владивосток, Россия, 2014 г.); Пятнадцатой международной конференции по формированию полупроводниковых интерфейсов ICFSI-15, (г. Хиросима, Япония, 2015 г.); XII Российской конференции по физике полупроводников «Полупроводники-2015» (г. Ершово, Россия, 2015 г.); Международном симпозиуме «Нанофизика и наноэлектроника» (г. Нижний Новгород, Россия, 2015, 2016 гг.); Международной конференции «Cпиновая физика, спиновая химия и спиновые технологии» SPCT-2015 (г. Санкт-Петербург, Россия, 2015 г.); Двадцатом Международном Вакуумном Конгрессе IVC-20 (г. Пусан, Корея, 2016 г.); Втором Азиатско-Тихоокеанском симпозиуме по поверхности твердых тел APSSS-2 (г. Тайпей, Тайвань, 2016 г.).
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 5 статьях в рецензируемых журналах [A1-A5], индексируемых в базах данных РИНЦ, Web of Science и Scopus.
Личный вклад автора заключается в подготовке и проведении экспериментов, и интерпретации полученных результатов. Все экспериментальные результаты, представленные в работе, получены соискателем лично, либо в соавторстве при его непосредственном участии. Все численные расчеты, представленные в работе, выполнены соавторами Чукуровым Е.Н., Алексеевым А.А., Хсинг Ч.Р., Вэйем Ч.М., Еремеевым С.В., Михалюком А.Н.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем диссертации составляет 109 страниц, включая 63 рисунка и список литературы из 140 наименований.