Эффекты индуцированной спиновой поляризации и их роль в формировании электронной и спиновой структуры низкоразмерных систем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат наук Рыбкина Анна Алексеевна

• Рыбкина Анна Алексеевна
• кандидат наук
• 2016

Оглавление диссертации кандидат наук Рыбкина Анна Алексеевна

Введение

1 Обзор литературы

1.1 Спин-орбитальное взаимодействие в низкоразмерных системах

1.2 Графен. Особенности электронной и кристаллической структуры

1.3 Спин-орбитальное взаимодействие в графене

1.4 Графен на неметаллических и металлических подложках №(111), ^(0001). Синтез, описание электронной и спиновой структуры

1.5 Интеркаляция как способ модификации электронной структуры графена

2 Экспериментальные методы исследования

2.1 Фотоэлектронная спектроскопия (ФЭС)

2.1.1 Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС)

2.1.2 Фотоэлектронная спектроскопия с угловым разрешением (ФЭСУР)

2.1.3 Фотоэлектронная спектроскопия с угловым и спиновым разрешением

2.1.4 Технические детали и экспериментальное оборудование ФЭС

2.2 Дифракция медленных электронов (ДМЭ)

2.3 Сканирующая туннельная микроскопия (СТМ)

3 Эффекты индуцированной спиновой поляризации в тонких слоях металлов

3.1 Тонкий слой Au на поверхности W(110) и Mo(110)

3.2 Выводы к параграфу

3.3 Монослои Au, ^ на поверхности W(110)

3.4 Выводы к параграфу

4 Индуцированное спин-орбитальное взаимодействие в графене при контакте с металлами различной природы ^^ Pt, Bi,

4.1 Особенности формирования электронной и спиновой структуры графена на

№(111) с интеркалированными атомами Au, Bi

4.2 Электронная и спиновая структура графена на Р1;(Ш)

4.3 Выводы к главе

5 Интеркаляция Al под графен на №(111). Механизм взаимодействия интерка-лированного металла с подложкой

5.1 Анализ РФЭС спектров внутренних уровней

5.2 Исследование методом дифракции медленных электронов (ДМЭ)

5.3 Анализ ФЭСУР спектров валентной зоны

5.4 Обсуждение экспериментальных результатов по интеркаляции А1

5.5 Выводы к главе

6 Индуцированное обменное и спин-орбитальное взаимодействие в системе гра-фен/Au/Co(0001)

6.1 Исследование электронной и спиновой структуры

6.2 СТМ исследования. Теоретическое описание электронной и спиновой структуры

6.3 Выводы к главе

7 Возможности применения систем на основе графена в спинтронике

7.1 Графеновый спиновый фильтр

7.2 Устройство спинтроники для реверсного перемагничивания ферромагнитных наноточек формируемыми спиновыми токами

7.3 Выводы к главе

Заключение

Список литературы

Список сокращений и терминов

Введение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Эффекты индуцированной спиновой поляризации и их роль в формировании электронной и спиновой структуры низкоразмерных систем»

Актуальность работы

Диссертация посвящена исследованию эффектов индуцированной спиновой поляризации низкоразмерных систем на основе металлов и графена. В настоящее время исследования спиновой структуры низкоразмерных систем привлекает повышенное внимание вследствие бурного развития спинтроники - нового направления наноэлектроники, основанного на управлении спином электрона посредством внешнего магнитного поля или эффективного поля, обусловленного спин-орбитальным взаимодействием [1]. Однако использование внешнего магнитного поля существенно затрудняет уменьшение размеров разрабатываемых устройств спинтроники. Поэтому наиболее перспективным является использование спин-орбитального взаимодействия, которое также приводит к эффектам спиновой поляризации электронных состояний. Исследованные в работе эффекты индуцированного подложкой спин-орбитального взаимодействия в материалах с малыми атомными номерами (2<50), в том числе в графене (2=6), приводят к модификации спиновой структуры данных материалов, расщеплению по спину их валентных электронных состояний. Исследование графена и графен-содержащих систем по-прежнему является наиболее перспективным направлением в современном мировом научном сообществе [2-4]. Графен представляет собой двумерный материал, состоящий из атомов углерода. Он обладает уникальными физико-химическими свойствами, обусловленными линейной дисперсией валентных электронных состояний вблизи уровня Ферми, вследствие чего носители заряда в графене обладают практически нулевой эффективной массой и аномально высокой подвижностью. Высокая проводимость графена, несмотря на толщину слоя всего в один атом при комнатной температуре делает его перспективным материалом для использования в самых различных приложениях, в частности, как будущую основу наноэлектроники и возможную замену кремния в интегральных микросхемах. При этом внутреннее спин-орбитальное взаимодействие в квазисвободном графене очень мало (меньше 1 мэВ [5]), что не позволяет использовать его в устройствах спинтроники в качестве активного элемента. Однако, в данной работе изучена возможность создания

аномально большого индуцированного подложкой спин-орбитального взаимодействия в гра-фене при контакте с металлами. Таким образом, исследование индуцированной спиновой поляризации электронных состояний в графене открывает дополнительные возможности для использования его уникальных свойств в спинтронике и конструирования новых спиновых низкоразмерных устройств. Поэтому тема диссертационной работы является, безусловно, актуальной.

Цель диссертационной работы

Работа заключалась в исследовании особенностей электронной и спиновой структуры низкоразмерных систем на основе графена и тонких слоев металлов с различной структурой валентной зоны и атомным номером и выявлении эффектов индуцированной спиновой поляризации электронных состояний, возникающих при контакте элементов с большим и малым атомным номером. Для этого исследовались тонкие слои металлов с различным атомным номером на подложках также с различным атомным номером (ШХ110) и Мо(110)) для определения влияния адсорбируемого металла и подложки на электронную и спиновую структуру изучаемых систем, а также исследовались особенности электронной и спиновой структуры графена при контакте с немагнитными металлами (Аи, Си, Б1, Р1;, А1), характеризующимися различной величиной спин-орбитального взаимодействия, и ферромагнитным металлом для выявления факторов, влияющих на формирование индуцированного подложкой спин-орбитального расщепления электронных состояний графена, и возможности модуляции данного расщепления в результате обменного взаимодействия в ферромагнитной подложке.

Научная новизна: Работа содержит большое количество новых экспериментальных результатов и сформулированных научных заключений. Ниже перечислены наиболее важные из них:

1. Обнаружено, что формируемые квантовые электронные состояния вр и d характера в трехмонослойных пленках Аи на Ш^110) и Мо(110) имеют различную спиновую структуру, обусловленную спин-орбитальным взаимодействием. Спиновая структура квантовых электронных состояний вр характера описывается моделью Рашбы-Бычкова для двумерного электронного газа с расщеплением состояний с противоположными проекциями спина по энергии, а спиновая структура квантовых электронных состояний d характера описывается моделью Красовского-Чулкова и имеет спиновую поляризацию без расщепления состояний по энергии.

2. Показано, что для монослоя Аи или Си на поверхности Ш^110) формируемые гибриди-зованные состояния в локальной запрещенной зоне подложки вольфрама расщеплены

по спину вследствие индуцированного подложкой спин-орбитального взаимодействия. При этом величина расщепления в случае Cu/W(110) больше, чем в случае Au/W(110), что определяется влиянием спин-орбитального взаимодействия в подложке и зависит от взаимно компенсирующих вкладов в спин-орбитальное взаимодействие от атомов подложки и напыленного металла.

3. Выявлено, что индуцированное спин-орбитальное взаимодействие в графене при контакте с различными металлами зависит от наличия в валентной зоне нижележащего металла спин-поляризованных й состояний, взаимодействие с которыми может приводить к спин-орбитальному расщеплению к состояний графена. Подобные эффекты спин-зависимой гибридизации и большого спин-орбитального расщепления к состояний были выявлены для систем графен/Аи/№1(111) и графен/Р1(111). При этом для графена на №(111) с интеркалированными атомами Си или Bi не возникает спин-орбитального расщепления к состояний графена.

4. Впервые показано, что процесс интеркаляции А1 под графен на N1(111) сопровождается сплавлением интеркалированного А1 с № подложкой. Стехиометрия сплава определяется концентрацией интеркалированного А1, и после насыщения системы алюминием под графеном образуется сплав №1-А1, терминированный атомами А1, т.е. непосредственно под графеном формируется сплошной слой А1.

5. Впервые исследована электронная и спиновая структура высокоориентированного гра-фена, синтезированного на поверхности ферромагнитного металла Со и интеркалированного атомами немагнитного металла Аи с большим атомным номером и большим спин-орбитальным взаимодействием. Показано, что влияние обменного и спин-орбитального взаимодействия приводит к асимметричной спиновой структуре к состояний графена в области долин двух противоположных высокосимметричных точек К , расположенных на границе гексагональной зоны Бриллюэна графена.

6. Исследована локальная атомная структура графена на Со(0001) с интеркалированным Аи. Впервые обнаружено формирование структурных дислокаций в локальной атомной структуре системы графен/Аи/Со.

7. На основании исследований, проведенных в рамках диссертационной работы, предложены две модели спиновых электронных устройств - графенового спинового фильтра и реверсного переключателя намагниченности спиновым током, формируемом в системе с

высоким спин-орбитальным расщеплением электронных состояний, без использования внешнего магнитного поля.

Научная и практическая значимость

Изучение эффектов индуцированной спиновой поляризации электронных состояний в низкоразмерных системах является необходимым и важным для разработки новых перспективных устройств спинтроники. Исследование основных факторов, влияющих на величину спинового расщепления или спиновой поляризации электронных состояний, позволит предсказывать спиновые характеристики разрабатываемых спиновых устройств. Использование графена в данных системах с большим спиновым расщеплением позволит существенно улучшить характеристики спиновых устройств, благодаря его уникальным свойствам, обусловленным линейным конусом Дирака электронных состояний вблизи уровня Ферми. При этом возможность создания индуцированной спиновой поляризации электронных состояний в материалах с малым атомным номером (в том числе в графене) при контакте с материалами с большим атомным номером позволит использовать их для создания устройств спинтроники. В данной работе предлагаются модели электронных устройств для области спинтроники, разработанные на основе графена и его контакта с тяжелыми металлами (Au и Pt) - это усовершенствованный графеновый спиновый фильтр и устройство переключения намагниченности формируемыми спиновыми токами в системе ферромагнетик/Au/Gr/Pt без использования внешнего магнитного поля.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Индуцированное спин-орбитальное расщепление sp квантовых электронных состояний в тонких слоях Au на поверхности W(110) или Mo(110) определяется материалом подложки и увеличивается с ростом ее атомного номера, а спиновая поляризация d квантовых электронных состояний не зависит от подложки и определяется атомным номером напыленного металла Au.

2. В системе с эпитаксиально выращенным монослоем Au или Cu на поверхности W(110) гибридизованные состояния, формируемые в локальной запрещенной зоне вольфрама, расщеплены по спину. Расщепление определяется влиянием спин-орбитального взаимодействия в подложке и зависит от взаимно компенсирующих вкладов в спин-орбитальное взаимодействие от атомов подложки и напыленного металла, что приводит к большей величине расщепления в случае Cu/W, чем Au/W.

3. Индуцированное спин-орбитальное расщепление в графене зависит от состава и структуры подложки (Au/Ni, Au/Co, Cu/Ni, Bi/Ni, Pt), атомных номеров элементов ее составляющих и структуры валентной зоны. Индуцированное спин-орбитальное расщепление к состояний графена на Ni(111) c интеркалированными атомами Au и графена на Pt(111) достигает 80-100 мэВ и зависит от наличия в валентной зоне нижележащего металла спин-поляризованных d состояний.

4. Выявлено совместное влияние индуцированного спин-орбитального и обменного взаимодействия на спиновую структуру п состояний в системе графен/Au/Co(0001). Показана асимметричная спиновая структура для двух долин около противоположных точек K на границе зоны Бриллюэна графена с величиной спинового расщепления 150 мэВ и 10-40 мэВ, соответственно.

5. На основании полученных результатов предложены модели электронных устройств для спинтроники - графенового спинового фильтра и устройства переключения намагниченности формируемыми спиновыми токами в системе "ферромагнетик/Au/графен/Pt" без использования внешнего магнитного поля.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены и обсуждались на следующих российских и международных конференциях: Международная студенческая конференция "Science and Progress" (г. Санкт-Петербург, 2009), Первая Немецко-Российская междисциплинарная конференция «The Structure and Dynamics of Matter» (г. Берлин, Германия, 2010), Международная студенческая конференция "Science and Progress" (г. Санкт-Петербург, 2010), XV Международный симпозиум "Нанофизика и наноэлек-троника" (г. Нижний Новгород, 2011), Международная конференция «Advanced Carbon Nanostructures» (ACN'2011) (г. Санкт-Петербург, 2011), Международная школа для молодых ученых "Carbon Nanostructures Diagnostics" в рамках международной конференции «Advanced Carbon Nanostructures» (г. Санкт-Петербург, 2011), XXIII симпозиум «Современная химическая физика» (г. Туапсе, 2011), Международная студенческая конференция "Science and Progress 2011" (г. Санкт-Петербург, 2011), XVI Международный симпозиум "Нанофизика и наноэлектроника" (г. Нижний Новгород, 2012), Российско-Немецкая конференция «Fundamentals and Applications of Nanoscience» (г. Берлин, Германия, 2012), Международный семинар "Ordering and dynamics in magnetic nanostructures" (г. Санкт-Петербург, 2012), 2-ая Международная школа по физике поверхности «Технологии и измерения атомного масштаба» (г. Сочи, 2012), Международная студенческая конференция "Science and

Progress 2012" (г. Санкт-Петербург, 2012), XVII Международный симпозиум "Нанофизи-ка и наноэлектроника" (г. Нижний Новгород, 2013), The European Workshop on Epitaxial Graphene (EWEG'2013) (г. Осуа, Франция, 2013), Международная школа для молодых ученых "Advanced Carbon Nanostructures and methods of their Diagnostics" в рамках международной конференции «Advanced Carbon Nanostructures ACNS'2015» (г. Санкт-Петербург, 2015), 12-ая Международная конференция «Advanced Carbon Nanostructures» (ACNS'2015) (г. Санкт-Петербург, 2015)

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 10 печатных работах, из них 8 статей в рецензируемых журналах [6-13] и 2 статьи в сборниках трудов конференций [14,15].

Личный вклад автора. Все результаты, представленные в работе, получены соискателем лично, либо в соавторстве при его непосредственном участии.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, шести глав и заключения. Полный объем диссертации составляет 158 страниц, включая 58 рисунков. Список литературы содержит 176 ссылок.

Глава 1

Обзор литературы

1.1 Спин-орбитальное взаимодействие в низкоразмерных системах

Эффекты спиновой поляризации играют важную роль в формировании электронной и спиновой структуры низкоразмерных систем. В данном параграфе мы остановимся на тех из них, которые будут основой наблюдаемых в работе явлений и эффектов.

В первую очередь, это эффекты спин-орбитального взаимодействия. Спин-орбитальное взаимодействие хорошо известное явление, которое заключается в снятии вырождения энергетического уровня в атоме, молекуле или твердом теле. В физике твердого тела нерелятивистское уравнение Шрёдингера часто рассматривается в качестве первого приближения для расчета электронной зонной структуры. Без релятивистских поправок оно приводит к двукратному вырождению энергетических зон для электронов с проекцией спина ±1/2, которые могут быть расщеплены благодаря добавке спин-зависимого члена в гамильтониан. В этом случае спин-орбитальное взаимодействие может быть учтено, как релятивистская поправка в уравнении Шрёдингера. Для этой цели рассматривается уравнение Дирака, как основное уравнение для электронных систем, учитывающее спин электрона и его релятивистское поведение.

Для простоты, рассмотрим движение электрона в атоме в рамках классической электродинамики. Пусть электрон движется в атоме со скоростью V в центрально-симметричном электрическом поле, создаваемом ядром Е = 1 ^^. В системе отсчета электрона это электрическое поле создает магнитное поле (членами порядка (у/с)2 и выше пренебрегаем):

В = --(у х Е) = —-(р х Е) (1.1)

с тс

где с - скорость света. Создаваемое магнитное поле взаимодействует с магнитным моментом Д электрона. Добавка к энергии электрона в этом поле определяется как АЕ = —fiB с Д = 2toeПодставляем выражение для В и Д. Используя выражение I = г х р, где I -орбитальный момент электрона, и переходя обратно в систему отсчета ядра (учитывая коэффициент 1/2, связанный с изменением системы отсчета и изменением частоты прецессии спина в магнитных полях при этом), получаем:

АЕ -В ^ В ^ х Е) ^ (1 ^^ х ^ ^ 1 ^Г) (12)

4тс 4т2с2 4т2с2 \er dr ) 4т2с2 г dr

где а представляет собой матрицы Паули, описывающие спин электрона:

l\ ío —г\ íl 0

= I , (Jy = , =

^ 0 V Ч \0 —1

Тогда в нерелятивистском уравнении Шрёдингера дополнительная поправка Hso для

2

полного гамильтониана системы Н = + Hso будет определяться как

Hso = х Р) (1.3)

где р - оператор импульса, действующий на волновую функцию в уравнении Шрёдингера, а - спиновый оператор Паули. Градиент потенциала dV/dr пропорционален атомному номеру Z, поэтому спин-орбитальное взаимодействие играет существенную роль для тяжелых элементов с большим Z.

Твердое тело, согласно фундаментальным принципам квантовой механики, обладает симметрией обращения времени, которая означает эквивалентность между волновой функцией гф и сопряженной к ней ф* при одновременной инверсии волнового вектора и спина электрона. Таким образом, в любой точке зоны Бриллюэна (ЗБ) можно записать:

Е(к, t) = Е(—к, I) (1.4)

Если кристаллическая решетка обладает симметрией инверсии, т.е. имеет центр инверсии, то Е(к,t) = Е(—к,t),E(к,|) = Е(—к,|). Тогда объединяя эти условия с 1.4, получаем: Е(к,t) = Е(к,I). Это означает, что в немагнитных кристаллах с центром инверсии, электронные состояния вырождены по спину.

Нарушение трёхмерной симметрии инверсии приводит к снятию вырождения вследствие спин-орбитального взаимодействия, и электронные состояния c противоположными проекциями спина имеют различную энергию при одном и том же к\\.

Е (kh t) = Е (kh |) (1.5)

Нарушение пространственной симметрии инверсии может быть обусловлено внутренней асимметрией инверсии в объеме кристалла, когда он не имеет центра инверсии (эффект Дрессельхауза [16]) или структурной асимметрией инверсии (эффект Рашбы-Бычкова [17]). Структурная асимметрия инверсии возникает при наличии асимметричного ограничивающего потенциала двумерного газа в гетероструктурах или просто при наличии поверхности у полуограниченного кристалла. Вследствие этого, электронные состояния в системах со структурной асимметрией инверсии (двумерный электронный газ в гетероструктурах или двумерные поверхностные состояния) становятся поляризованными по спину. Гамильтониан Рашбы-Бычкова для спин-орбитального взаимодействия в квазисвободном двумерном электронном газе ограничен в плоскости (х,у) с асимметрией инверсии вдоль направления г, перпендикулярно поверхности. Т.е. вдоль оси г присутствует пространственная неоднородность потенциальной энергии или градиент потенциала.

Нкв = аК(г(к\\ х ех) (1.6)

где ап -постоянная Рашбы, а = (ах,ау,аг) - матрицы Паули, к\\ - волновой вектор в плоскости двумерного газа и ег - единичный вектор, перпендикулярный плоскости двумерного газа. Решая уравнение Шрёдингера, получаем следующее энергетическую зависимость:

^2 к2

Е(Щ) = Е0 + 2-* ± аКЩ 07)

Уравнение 1.7 описывает две параболы электронных состояний с эффективной массой т* со сдвигом относительно к\\ = 0. Дисперсионная зависимость состояний двумерного электронного газа со спин-орбитальным взаимодействием Рашбы представлена на рисунке 1.1.

Наиболее общим примером экспериментального наблюдения спин-орбитального расщепления электронных состояний по модели Рашбы-Бычкова являются поверхностные состояния Шокли монокристаллов Аи(111) [18-20] и А^(111) [19]. Эти состояния локализованы в пространственной области вблизи поверхности и энергетически расположены в запрещенной зоне электронной структуры монокристаллов Аи(111) и А^(111) в направлении ГЬ поверхностной ЗБ. Впервые экспериментальные измерения спин-орбитального расщепления Рашбы для поверхностных состояний Аи(111) были представлены в работе [18]. Величина спин-орбитального расщепления на уровне Ферми ~ 110 мэВ много больше величины, предсказываемой из теоретической модели Рашбы-Бычкова (~ 10-6 эВ) [21]. Основываясь на экспериментальных результатах величин спин-орбитального расщепления поверхностных состояний Аи(111) и А^(111), как состоящих из элементов с существенно различными атомными номе-

Рисунок 1.1: (а) - Дисперсионная зависимость для свободного электрона, (б) - спин-орбитальное расщепление в двумерном электронном газе по модели Рашбы-Бычкова для состояний с противоположным направлением спина.

рами (^=79 и 47, соответственно), показано, что расщепление зависит не только от поверхностного градиента потенциала, но и от внутриатомного градиента потенциала, зависящего от атомного номера элемента. Так, например, величина спин-орбитального расщепления для поверхностных состояний Б1(111) (^=83) много больше, чем для поверхностных состояний Аи(111) [22]. Поэтому выражение для постоянной Рашбы в выражении 1.7 следует переписать как ая = f (а а ), где а а и ау - вклады внутриатомного и поверхностного градиентов потенциала, соответственно.

1.2 Графен. Особенности электронной и кристаллической структуры

Графен представляет собой материал, состоящий из одноатомного кристаллического слоя углерода, и активно изучается в последние годы благодаря открытию его уникальных физико-химических свойств [2,3,23,24]. Графен оказался перспективным материалом для применения в различных областях электроники, промышленности и медицины. Это самый прочный, самый легкий и электропроводящий вариант углеродного соединения. По оценкам, графен обладает большой механической жесткостью (модуль упругости ^ 1 • 1012 Па) и хорошей теплопроводностью (^ 5 х 103 Вт/м-К). Высокая подвижность носителей заряда при комнатной температуре делает его перспективным материалом для использования в самых различных приложениях, в частности, как будущую основу наноэлектроники и возможную замену кремния в интегральных микросхемах. Несмотря на то, что графен может быть рассмотрен как графитовая плоскость в монокристалле графита, свойства графена как изолированного

графитового монослоя сильно отличаются от свойств графита. Из-за особенностей энергетического спектра носителей заряда он проявляет специфические, в отличие от других двумерных систем, электрофизические свойства.

Впервые получить одноатомные слои графена удалось группе ученых из Манчестера (А. Гейм и К. Новоселов) в 2004 году. Они использовали достаточно простую, но эффективную процедуру механической эксфоляции [25,26], основанную на слабом взаимодействии между графитовыми слоями. Чистая поверхность слоистого кристалла графита (высокоориентированный пиролитический графит, ИОРО) плотно притиралась к поверхности окисленного кремния и оставляла на ней множество чешуек с различной толщиной. Среди этих чешуек всегда находились одноатомные слои, которые идентифицировались в оптическом микроскопе, а затем с помощью методов атомно-силовой микроскопии (АСМ) и сканирующей туннельной микроскопии (СТМ), см. рисунок 1.2.

(а) (б)

SiO2 / t ' ''

о A

8 A . [A*

1 0 A 1 8 A V . 1

1 / -

1 мкм 3x3 мкм2

Рисунок 1.2: Изображения АСМ однослойного графена, полученного методом механической эксфоляции [26]

Еще один способ синтеза графена, который активно используется с 2000-х годов в лаборатории физической электроники кафедры электроники твердого тела физического факультета СПбГУ и другими научными группами в мире, заключается в эпитаксиальном росте графена на металлических или неметаллических подложках. Данный метод формирования графена является основополагающим в настоящей работе и будет описан в параграфе 1.4

Рассмотрим, что представляет собой кристаллическая решетка графена. На рисунке 1.3 (а) показана двумерная кристаллическая структура графена, состоящая из шестиугольников, в вершинах которых находятся атомы углерода. Решетка графена образована двумя треугольными подрешетками типа А и В, обозначенными на рисунке зеленым и серым цветом, соответственно. Каждая из этих подрешеток получается свдигом атомов типа А или В

на вектор трансляции, т.е. г = па[ + та2, где а[, а2 - базисные векторы, п,т - целые числа. Расстояние между соседними атомами в графене составляет а=1,42 А, а постоянная решетки а0 = л/3а = 0.246 А. На рисунке 1.3 (б) показана первая ЗБ графена в пространстве векторов обратной решетки, имеющая форму шестиугольника с двумя неэквивалентными вершинами К=(1, ) и К'=(1, — ) называемыми точками Дирака, пунктиром на рисунке показана элементарная ячейка обратной решетки. Кроме того, выделяют в качестве точек высокой симметрии также точку Г=(0,0) (центр ЗБ) и точку М=||(1, 0) (седловая точка на краю ЗБ), см. рисунок 1.3 (б).

Рисунок 1.3: (а) - гексагональная кристаллическая решетка графена, состоящая из двух подрешеток атомов A и B. (б) - Первая ЗБ графена и высокосимметричные точки в этой зоне: Г, К, К', М

Углерод является шестым элементом в периодической системе химических элементов. 6 электронов атома углерода занимают 1з2, 2з2, 2р2 атомные орбитали. Атомные орбитали в основном состоянии 2з2, 2р2, в возбужденном состоянии атома становятся конфигурацией атомных орбиталей, состоящей из 25, 2рх, 2ру, 2рг орбиталей с волновыми функциями, которые могут "смешиваться" друг с другом, оптимизируя энергию связи атома углерода с соседними атомами. "Смешивание" атомных орбиталей приводит к формированию трех новых электронных конфигураций - вр1, вр2, вр3 (известных также как гибридные молекулярные орбитали). Гибридизация определяет тип связи атома углерода с соседними атомами. вр3 гибридизация соответствует тетраэдрической конфигурации, примером которой может служить алмаз, в котором атом углерода имеет 4 "соседа". вр2 связь, в которой атом углерода

связывает 3-х "соседей", известна как тригональная гибридизация в плоскости. Примерами проявления вр2 гибридизации могут являться графит и графен. И, наконец, диагональная вр1 гибридизация представляет собой линейные молекулы, в которых атом углерода связан всего с двумя "соседями", и встречается в еще одной аллотропной форме углерода - карбине.

В графене каждый атом углерода связан с тремя соседними посредством а связей, формирующих вр2 - гибридизацию в плоскости, как показано на рисунке 1.4. Вследствие "смешивания" 2в и двух 2рх и 2ру атомных орбиталей (слева) формируются три гибридные орбитали 2р1, 2р2 и 2р3, расположенные в плоскости графена и под углом 120° друг к другу, как показано на рисунке 1.4 справа. При этом 2рг атомная орбиталь остается расположена перпендикулярно плоскости графена и отвечает за отличительные особенности и свойства графена, образуя п зону электронных состояний.

8+2р Бр2

Вид сверху

Рисунок 1.4: Формирование тригональной модификации (вр2) атомных орбиталей в графене при смешивании одной s и двух p атомных орбиталей атомов углерода.

Впервые зонная структура графена в рамках приближения сильносвязанных электронов была рассчитана в работе [27]. В рамках приближения сильной связи для электронной зонной структуры графена, которая представлена на рисунке 1.5, собственные функции Ф1(к,г) для зоны с индексом I могут быть представлены в виде линейной комбинации п Блоховских волновых функций Фт(к, г) (для более подробного рассмотрения основных понятий метода приближения сильной связи см. [28]):

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Рыбкина Анна Алексеевна, 2016 год

Список литературы

1. Rashba E. I. Spintronics: Sources and Challenge // Journal of Superconductivity. — 2002.

— Vol. 15. — Pp. 13-17.

2. Novoselov K. S., Geim A. K., Morozov S. V., Jiang D., Katsnelson M. I., Grigorieva I. V., Dubonos S. V., Firsov A. A. Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in graphene // Nature. — 2005. — Vol. 438. — P. 197.

3. Geim A. K., Novoselov K. S. The rise of graphene // Nature materials. — 2007. — Vol. 6.

— P. 183.

4. Editorial Review. Ten years in two dimensions // Nature Nanotechnology. — 2014. — Vol. 9. — P. 725.

5. Gmitra M., Konschuh S., Ertler C., Ambrosch-Draxl C., Fabian J. Band-structure topologies of graphene: Spin-orbit coupling effects from first principles // Phys. Rev. B. — 2009.

— Vol. 80. — P. 235431.

6. Шикин А.М., Рыбкин А.Г., Марченко Д.Е., Попова (Рыбкина) А.А., Варыхалов А., Радер О. Графен. Синтез и особенности электронной структуры // Российские нано-технологии. — 2011. — Т. 6. — С. 36-41.

7. Попова (Рыбкина) А.А., Шикин А.М., Марченко Д.Е., Рыбкин А.Г., Вилков О.Ю., Макарова А.А., Варыхалов А.Ю., Радер О. Роль ковалентного взаимодействия в формировании электронной структуры графена на поверхности Ni(111) с интеркалированными слоями Au и Cu // Физика твердого тела. — 2011. — Т. 53. — С. 2409-2413.

8. Shikin A.M., Rybkina A.A., Rusinova M.V., Klimovskikh I.I., Rybkin A.G., Zhizhin E.V., Chulkov E.V., Krasovskii E.E. Effect of spin-orbit coupling on atomic-like and delocalized quantum well states in Au overlayers on W(110) and Mo(110) // New Journal of Physics.

— 2013. — Vol. 15. — P. 125014.

9. Shikin A.M., Rybkina A.A., Korshunov A.S., Kudasov Yu.B., Frolova N.V., Rybkin A.G., Marchenko D., J. Sanchez-Barriga, Varykhalov A., Rader O. Induced Rashba splitting of electronic states in monolayers of Au, Cu on a W(110) substrate // New Journal of Physics.

— 2013. - Vol. 15. - P. 095005.

10. Rybkina A. A., Rybkin A. G., Adamchuk V. K., Marchenko D., Varykhalov A., Sanchez-Barriga J., Shikin A. M. The graphene/Au/Ni interface and its application in the construction of a graphene spin filter // Nanotechnology. — 2013. — Vol. 24. — P. 295201.

11. Shikin A.M., Rybkin A.G., Marchenko D., Rybkina A.A., Scholz M.R., Rader O., Varykhalov A. Induced spin-orbit splitting in graphene: the role of atomic number of the intercalated metal and n-d hybridization // New Journal of Physics. — 2013. — Vol. 15.

— P. 013016.

12. Rybkina A.A., Rybkin A.G., Fedorov A.V., Usachov D.Yu., Yachmemev M.E., Marchenko D., Vilkov O.Yu., Nelubov A.V., Adamchuk V.K., Shikin A.M. Interaction of graphene with intercalated Al: The process of intercalation and specific features of the electronic structure of the system // Surface Science. — 2013. — Vol. 609. — Pp. 7-17.

13. Shikin A. M., Rybkina A. A., Rybkin A. G., Klimovskikh I. I., Skirdkov P. N., Zvezdin K. A., Zvezdin A. K. Spin current formation at the graphene/Pt interface for magnetization manipulation in magnetic nanodots // Applied Physics Letters. — 2014. — Vol. 105. — P. 042407.

14. Попова (Рыбкина) А.А., Рыбкин А.Г., Марченко Д.Е., Варыхалов А., Радер О., Ши-кин А.М. Роль ковалентного взаимодействия и переноса заряда во взаимодействии графена на поверхности Ni(111) с интеркалированными слоями Au, Cu и Al // Труды XVII международного симпозиума "Нанофизика и наноэлектроника"603950, Нижний Новгород, ГСП-105: Институт физики микроструктур РАН. — 2012. — Т. 2. — С. 515-516.

15. Рыбкина А.А., Жижин Е.В., Рыбкин А.Г., Климовских И.И., Марченко Д., Варыхалов А., Радер О., Шикин А.М. Индуцированное спин-орбитальное расщепление в графене после интеркаляции Au и Bi // Труды XVII международного симпозиума "Нанофизика и наноэлектроника"603950, Нижний Новгород, ГСП-105: Институт физики микроструктур РАН. — 2013. — Т. 1. — С. 235-236.

16. Dresselhaus G. Spin-Orbit Coupling Effects in Zinc Blende Structures // Phys. Rev. — 1955. — Vol. 100. — P. 580.

17. Бычков Ю.А., Рашба Э.И. Свойства двумерного электронного газа со снятым вырождением спектра // Письма в ЖЭТФ. — 1984. — Т. 39. — С. 66-69.

18. LaShell S., McDougall B. A., Jensen E. Spin Splitting of an Au(111) Surface State Band Observed with Angle Resolved Photoelectron Spectroscopy // Phys. Rev. Lett. — 1996. — Vol. 77. — P. 3419.

19. Nicolay G., Reinert F., Hufner S. Spin-orbit splitting of the L-gap surface state on Au(111) and Ag(111) // Phys. Rev. B. — 2001. — Vol. 65. — P. 033407.

20. Hoesch M., Muntwiler M., Petrov V. N., Hengsberger M., Patthey L., Shi M., Falub M., Greber T., Osterwalder J. Spin structure of the Shockley surface state on Au(111) // Phys. Rev. B. — 2004. — Vol. 69. — P. 241401(R).

21. Рыбкин А.Г. Электронная энергетическая и спиновая структура тонких слоёв металлов, индуцированная спин-орбитальным взаимодействием. — Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук, СПбГУ, г. Санкт-Петербург, 2010.

22. Koroteev Yu.M., Bihlmayer G., Gayone J. E., Chulkov E.V., Blugel S., Echenique P.M., Hofmann Ph. Strong Spin-Orbit Splitting on Bi Surfaces // Phys. Rev. Lett. — 2004. — Vol. 93. — Pp. 046403-1.

23. Zhang Y., Tan Y.-W., Stormer H.L., Kim P. Experimental observation of the quantum Hall effect and Berry's phase in graphene // Nature. — 2005. — Vol. 438. — P. 201.

24. Bostwick A., Ohtai T., Seyller T., Horn K., Rotenberg E. Quasiparticle dynamics in graphene // Nature Physics. — 2007. — Vol. 3. — P. 36.

25. Novoselov K. S., Jiang D., Schedin F., Booth T. J., Khotkevich V. V., Morozov S. V., Geim A. K. Two-dimensional atomic crystals // PNAS. — 2005. — Vol. 102. — P. 10451.

26. Novoselov K. S., Geim A. K., Morozov S. V., Jiang D., Zhang Y., Dubonos S. V., Grig-orieva I. V., Firsov A. A. Electric field effect in atomically thin carbon films // Science. — 2004. — Vol. 306. — P. 666.

27. Wallace P. R. The Band Theory of Graphite // Phys. Rev. - 1947. - Vol. 71. - P. 622.

28. Saito R., Dresselhaus G., Dresselhaus M. S. Physical Properties of Carbon Nanotubes // Imperial College Press. — 1998.

29. GUttinger J., Molitor F., Stampfer C., Schnez S., Jacobsen A., Droscher S., Ihn T., Ensslin K. Transport through graphene quantum dots // Rep. Prog. Phys. — 2012. — Vol. 75.

— P. 126502.

30. Castro Neto A.H., Guinea F., Peres N.M.R., Novoselov K.S., Geim A.K. The electronic properties of graphene // Reviews of Modern Physics. — 2009. — Vol. 81. — P. 109.

31. Beenakker C.W.J. Colloquium: Andreev reflection and Klein tunneling in graphene // Reviews of Modern Physics. — 2008. — Vol. 80. — P. 1337.

32. Katsnelson M. I., Novoselov K. S., Geim A. K. Chiral tunnelling and the Klein paradox in graphene // Nature Phys. — 2006. — Vol. 2. — P. 620.

33. Kane C. L., Mele E. J. Quantum Spin Hall Effect in Graphene // Phys. Rev. Lett. — 2005.

— Vol. 95. — P. 226801.

34. Kuemmeth F., Rashba E. I. Giant spin rotation under quasiparticle-photoelectron conversion: Joint effect of sublattice interference and spin-orbit coupling // Phys. Rev. B. — 2009. — Vol. 80. — P. 241409(R).

35. Rashba E. I. Graphene with structure-induced spin-orbit coupling: Spin-polarized states, spin zero modes, and quantum Hall effect // Phys. Rev. B. — 2009. — Vol. 79. — P. 161409(R).

36. Van Bommel A.J., Crombeen J.E., Van Tooren A. LEED and Auger electron observations of the SiC (0001) surface // Surface Science. — 1975. — Vol. 48. — P. 463.

37. Forbeaux I., Themlin J.-M., Debever J.-M. Heteroepitaxial graphite on 6H-SiC0001: Interface formation through conduction-band electronic structure // Phys. Rev. B. — 1998. — Vol. 58. — P. 16396.

38. Emtsev K. V., Speck F., Seyller Th., , Ley L., Riley J. D. Interaction, growth, and ordering of epitaxial graphene on SiC{0001} surfaces: A comparative photoelectron spectroscopy study // Phys. Rev. B. — 2008. — Vol. 77. — P. 155303.

39. Varchon F., Feng R., Hass J., Li X., Nguyen B. Ngoc, Naud C., Mallet P., Veuillen J.-Y., Berger C., Conrad E. H., Magaud L. Electronic Structure of Epitaxial Graphene Layers on SiC: Effect of the Substrate // Phys. Rev. Lett. — 2007. — Vol. 99. — P. 126805.

40. Marchenko D., Varykhalov A., Scholz M. R., Sanchez-Barriga J., Rader O., Rybkina A., Shikin A. M., Seyller Th., Bihlmayer G. Spin-resolved photoemission and ab initio theory of graphene/SiC // Phys. Rev. B. — 2013. — Vol. BB. — P. 075422.

41. Rosei R., Crescenzi M. De, Sette F., Quaresima C., Savoia A., Perfetti P. Structure of graphitic carbon on Ni(111): A surface extended-energy-loss fine-structure study // Phys. Rev. B. — 19B3. — Vol. 2B. — P. 11б1.

42. Nagashima A., Tejima N., Oshima C. Electronic states of the pristine and alkali-metal-intercalated monolayer graphite/Ni(111) systems // Phys. Rev. B. — 1994. — Vol. 50. — P. 174B7.

43. Shikin A. M., Farias D., Rieder K. H. Phonon stiffening induced by copper intercalation in monolayer graphite on Ni(111) // Europhys. Lett. — 199B. — Vol. 44. — P. 44.

44. Gamo Y., Nagashima A., Wakabayashi M., Terai M., Oshima C. Atomic structure of monolayer graphite formed on Ni(111) // Surface Science. — 1997. — Vol. 374. — P. б1.

45. Varykhalov A., Sanchez-Barriga J., Shikin A. M., Biswas C., Vescovo E., Rybkin A., Marchenko D., Rader O. Electronic and Magnetic Properties of Quasifreestanding Graphene on Ni // Phys. Rev. Lett. — 200B. — Vol. 101. — P. 157б01.

46. Rader O., Varykhalov A., Sanchez-Barriga J., Marchenko D., Rybkin A., Shikin A. M. Is There a Rashba Effect in Graphene on 3d Ferromagnets? // Phys. Rev. Lett. — 2009. — Vol. 102. — P. 057б02.

47. Dedkov Yu. S., Fonin M. Electronic and magnetic properties of the graphene-ferromagnet interface // New Journal of Physics. — 2010. — Vol. 12. — P. 125004.

4B. Sanchez-Barriga J., Varykhalov A., Scholz M.R., Rader O., Marchenko D., Rybkin A., Shikin A.M., Vescovo E. Chemical vapour deposition of graphene on Ni(111) and Co(0001) and intercalation with Au to study Dirac-cone formation and Rashba splitting // Diamond Related Materials. — 2010. — Vol. 19. — P. 734.

49. Усачёв Д.Ю. Электронная структура и морфология графена, синтезированного на монокристаллических поверхностях никеля и кобальта. — Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук, СПбГУ, г. Санкт-Петербург, 2010.

50. Usachov D., Fedorov A., Otrokov M., Chikina A., Vilkov O., Petukhov A., Rybkin A., Koroteev Yu., Chulkov E. V., Adamchuk V. K., Gruneis A., Laubschat C., Vyalikh D. V.

Observation of Single-Spin Dirac Fermions at the Graphene/Ferromagnet Interface // Nano Lett. — 2015. - Vol. 15. - P. 2396.

51. Bertoni G., Calmels L., Altibelli A., Serin V. First-principles calculation of the electronic structure and EELS spectra at the graphene/Ni(111) interface // Phys. Rev. B. — 2004. — Vol. 71. — P. 075402.

52. Varykhalov A., Marchenko D., Sanchez-Barriga J., Scholz M. R., Verberck B., Trauzettel B., Wehling T. O., Carbone C., Rader O. Intact Dirac Cones at Broken Sublat-tice Symmetry: Photoemission Study of Graphene on Ni and Co // Phys. Rev. X. — 2012.

— Vol. 2. — P. 041017.

53. Kang M., Jung S., Park J. Density functional study of the Au-intercalated graphene/Ni(111) surface // Phys. Rev. B. — 2010. — Vol. 82. — P. 085409.

54. Marchenko D., Varykhalov A., Sanchez-Barriga J., Rader O., Carbone C., Bihlmayer G. Highly spin-polarized Dirac fermions at the graphene/Co interface // Phys. Pev. B. — 2015. — Vol. 91. — P. 235431.

55. Dresselhaus M.S., Dresselhaus G. Intercalation compounds of graphite // Advances in Physics. — 1981. — Vol. 30. — P. 139.

56. Шикин А.М. Электронная и атомная структура соединений на основе углеродных матриц, интеркалированных редкоземельными и благородными металлами. — Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук, СПбГУ, г. Санкт-Петербург, 2001.

57. Shikin A.M., Farias D., Adamchuk V.K., Rieder K.-H. Surface phonon dispersion of a graphite monolayer adsorbed on Ni(111) and its modification caused by intercalation of Yb, La and Cu layers // Surface Science. — 1999. — Vol. 424. — P. 155.

58. Shikin A. M., Prudnikova G. V., Adamchuk V. K. Surface intercalation of gold underneath a graphite monolayer on Ni(111) studied by angle-resolved photoemission and high-resolution electron-energy-loss spectroscopy // Phys. Rev. B. — 2000. — Vol. 62. — P. 13202.

59. А.Г.Стародубов М.А.Медвецкий А.М.Шикин В.К.Адамчук. Интеркаляция атомов серебра под монослой графита на поверхности Ni(111) // Физика твердого тела. — 2004.

— Т. 46. — С. 1300.

60. Шикин А.М. Пойгин М.В. Дедков Ю.С. Молодцов С.Л. Адамчук В.К. Формирование интеркалятоподобных систем на основе монослоев графита и иттербия на поверхности Ni(111) // Физика твердого тела. - 2000. - Т. 42. - С. 1134.

61. Farias D, Rieder K.H., Shikin A.M., Adamchuk V.K., Tanaka T., Oshima C. Modification of the surface phonon dispersion of a graphite monolayer adsorbed on Ni(111) caused by intercalation of Yb, Cu and Ag // Surface Science. - 2000. - Vol. 454-456. - P. 437.

62. Шикин А.М. Адамчук В.К. Ридер К.Х. Формирование квазисвободного графена на поверхности Ni(111) с интеркалированными слоями Cu, Ag, Au // Физика твердого тела. - 2009. - Т. 51. - С. 2251.

63. Khomyakov P. A., Giovannetti G., Rusu P. C., Brocks G., van den Brink J., Kelly P. J. First-principles study of the interaction and charge transfer between graphene and metals // Phys. Rev. B. - 2009. - Vol. 79. - P. 195425.

64. Varykhalov A., Scholz M. R., Kim Timur K., Rader O. Effect of noble-metal contacts on doping and band gap of graphene // Phys. Rev. B. - 2010. - Vol. 82. - P. 121101(R).

65. Marchenko D., Varykhalov A., Sanchez-Barriga J., Seyller Th., Rader O. Rashba splitting of 100 meV in Au-intercalated graphene on SiC // arXiv:1510.02291 [cond-mat.mtrl-sci].

- 2015.

66. Wang F., Shepperd K., Hicks J., Nevius M. S., Tinkey H., Tejeda A., Taleb-Ibrahimi A., Bertran F., Fevre P. Le, D. B. Torrance P. N. First, de Heer W. A., Zakharov A. A., Conrad E. H. Silicon intercalation into the graphene-SiC interface // Phys. Rev. B. -2012. - Vol. 85. - P. 165449.

67. Шикин A.M. Взаимодействие фотонов и электронов с твердым телом. - СПб.:ВВМ, 2008.

68. Mahan G.D. Theory of Photoemission in Simple Metals // Phys. Rev. B. - 1970. - Vol. 2.

- P. 4334.

69. Pendry J.B. Theory of Photoemission // Surface Science. - 1976. - Vol. 57. - P. 679.

70. Berglund C.N., Spicer W.E. Photoemission Studies of Copper and Silver: Theory // Phys. Rev. - 1964. - Vol. 136. - P. 1030.

71. Hufner S. Photoelectron spectroscopy. Principles and Applications. - Springer, 1995.

72. Zangwill A. Physics at Surfaces. — Cambridge University Press, 1988.

73. Penn D.R. Electron mean free paths for free-electron-like materials // Phys. Rev. B. — 1976. — Vol. 13. — P. 5248.

74. B.Johansson, Märtensson N. Core-level binding-energy shifts for the metallic elements // Phys. Rev. B. — 1980. — Vol. 21. — P. 4427.

75. Andersen J. N., Hennig D., Lundgren E., Methfessel M., Nyholm R., Scheffier M. Surface core-level shifts of some 4d-metal single-crystal surfaces: Experiments and ab initio calculations // Phys. Rev. B. — 1994. — Vol. 50. — P. 17525.

76. Märtensson N., B.Saalfeld H., Kuhlenbeck H., Neumann M. Structural dependence of the 5d-metal surface energies as deduced from surface core-level shift measurements // Phys. Rev. B. — 1989. — Vol. 39. — P. 8181.

77. Mott N.F. The Scattering of Fast Electrons by Atomic Nuclei // Proc. R. Soc. Lond. A. — 1929. — Vol. 124. — P. 425.

78. Мотт Н., Месси Г. Теория атомных столкновений / Под ред. Я. Френкель. — Издательство иностранной литературы, 1951.

79. Stohr J., Siegmann H.C. Magnetism: from Fundamentals to Nanoscale Dynamics / Ed. by M. Cardona, P. Fulde, K. von Klitzing, R. Merlin, H.-J. Queisser, H. Stormer. — Springer, 2006.

80. Johnson Peter D. Spin-polarized photoemission // Rep. Prog. Phys. — 1997. — Vol. 60.

— P. 1217.

81. Petrov V. N., Grebenshikov V. V., Grachev B. D., Kamochkin A. S. New compact classical 40 kV Mott polarimeter // Rev. Sci. Instrum. — 2003. — Vol. 74. — P. 1278.

82. Qiao S., Kimura A., Harasawa A., Sawada M., Chung J.-G., Kakizaki A. A new compact electron spin polarimeter with a high efficiency // Rev. Sci. Instrum. — 1997. — Vol. 68.

— P. 4390.

83. Burnett G. C., Monroe T. J., Dunning F. B. High-efficiency retarding-potential Mott polarization analyzer // Rev. Sci. Instrum. — 1994. — Vol. 65. — P. 1893.

84. McClelland J. J., Scheinfein M. R., Pierce D. T. Use of thorium as a target in electron spin analyzers // Rev. Sci. Instrum. — 1989. — Vol. 60. — P. 683.

85. Веб-сайт Electron Spectroscopy Lab [Электронный ресурс]. - URL: http://www.tifr.res. in/~peslab/.

86. Hoesch Moritz. Spin-resolved Fermi Surface Mapping. - Dissertation zur Erlangung der naturwissenschaftlichen Doktorwurde Zurich, 2002.

87. Meier F., Dil J. H, Osterwalder J. Measuring spin polarization vectors in angle-resolved photoemission spectroscopy // New J. Phys. - 2009. - Vol. 11. - P. 125008.

88. X-Ray Data Booklet [Электронный ресурс]. - URL: http://cxro.lbl.gov/ x-ray-data-booklet.

89. Веб-сайт Scienta Omicron GmbH [Электронный ресурс]. - URL: http://www. scientaomicron.com/en/home.

90. Веб-сайт SPECS Surface Nano Analysis GmbH [Электронный ресурс]. - URL: http: //www.specs.de/.

91. Веб-сайт PREVAC sp. z o.o. [Электронный ресурс]. - URL: https://www.prevac.eu.

92. Вудраф Д., Делчар Т. Современные методы исследования поверхности / Под ред. д-ра физ.-мат. наук В.И.Раховского. - Москва "МИР", 1989.

93. E.-E. Koch. Handbook on Synchrotron Radiation / Ed. by G.V. Marr. - North-Holland, Amsterdam, 1987.

94. Г.В.Фетисов. Синхротронное излучение. Методы исследования структуры веществ / Под ред. Л.А.Асланов. - М.: Физматлит, 2007.

95. Крюков П.Г. Лазеры ультракоротких импульсов // Квантовая электроника. - 2001. - Т. 31. - С. 95.

96. Веб-сайт Light Conversion Ltd [Электронный ресурс]. - URL: http://www.lightcon. com/.

97. Berntsen M. H., Palmgren P., Leandersson M., Hahlin A., Ahlund J., Wannberg B., Mansson M., Tjernbergl O. A spin- and angle-resolving photoelectron spectrometer // arXiv:1001.4986 [physics.ins-det]. - 2010.

98. Шульман А.Р., Фридрихов С.А. Вторично-эмиссионные методы исследования твердого тела. - Наука, 1977.

99. Фелдман Л., Майер Д. Основы анализа поверхности и тонких пленок / Под ред. д-р физ.-мат. наук В. В. Белошицкий. — Москва "Мир", 1989.

100. Varykhalov Andrei. Quantum-size effects in the electronic structure of novel self-organized systems with reduced dimensionality. — Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades "doctor rerum naturalium" (Dr. rer. nat.) in der Wissenschaftsdisziplin Experimentalphysik, 2005.

101. Binnig G., Rohrer H. Scanning tunneling microscopy // Helvetica Physica Acta. — 1982.

— Vol. 55. — P. 726.

102. Binning G., Rohrer H., Gerber Ch., Weibel E. Surface Studies by Scanning Tunneling Microscopy // Phys. Rev. Lett. — 1982. — Vol. 49. — P. 57.

103. Binnig G., Rohrer H. Scanning tunneling microscopy - from birth to adolescence // Rev. Mod. Phys. — 1987. — Vol. 59. — P. 615.

104. Wiesendanger R. Scanning Probe Microscopy: Analytical Methods. — Springer, 1998.

105. Chen C. Julian. Origin of Atomic Resolution on Metal Surfaces in Scanning Tunneling Microscopy // Phys. Rev. Lett. — 1990. — Vol. 65. — P. 448.

106. Ter soff J., Hamann D. R. Theory of the scanning tunneling microscope // Phys. Rev. B.

— 1985. — Vol. 31. — P. 805.

107. Tersoff J., Hamann D. R. Theory and Application for the Scanning Tunneling Microscope // Phys. Rev. Lett. — 1983. — Vol. 50. — P. 1998.

108. Lang N. D. Apparent Size of an Atom in the Scanning Tunneling Microscope as a Function of Bias // Phys. Rev. Lett. — 1987. — Vol. 58. — P. 45.

109. Hallmark V. M., Chiang S., Rabolt J. F., Swalen J. D., Wilson R. J. Observation of Atomic Corrugation on Au(111) by Scanning Tunneling Microscopy // Phys. Rev. Lett. — 1987.

— Vol. 59. — P. 2879.

110. Binning G.K., Rohrer H., Gerber Ch., Stoll E. Real-space observation of the reconstruction of Au(100) // Surf. Sci. — 1984. — Vol. 144. — P. 321.

111. Selloni A., Carnevali P., Tosatti E., Chen C. D. Voltage-dependent scanning-tunneling microscopy of a crystal surface: Graphite // Phys. Rev. B. — 1985. — Vol. 31. — P. 2602.

112. Hirsch J. E. Spin Hall Effect // Phys. Rev. Lett. - 1999. - Vol. 83. - P. 1834.

113. Seki T., Hasegawa Y., Mitani S., Takahashi S., Imamura H., Maekawa S., Nitta J., Takahashi K. Giant spin Hall effect in perpendicularly spin-polarized FePt/Au devices // Nature Mater. - 2008. - Vol. 7. - P. 125.

114. Kimura T., Otani Y., Sato T., Takahashi S., Maekawa S. Room-Temperature Reversible Spin Hall Effect // Phys. Rev. Lett. - 2007. - Vol. 98. - P. 156601.

115. Krasovskii E. E., Chulkov E. V. Rashba polarization of bulk continuum states // Phys. Rev. B. - 2011. - Vol. 83. - P. 155401.

116. Varykhalov A., Sanchez-Barriga J., Shikin A. M., Gudat W., Eberhardt W., Rader O. Quantum Cavity for Spin due to Spin-Orbit Interaction at a Metal Boundary // Phys. Rev. Lett. - 2008. - Vol. 101. - P. 256601.

117. Rybkin A. G., Shikin A. M., Adamchuk V. K., Marchenko D., Biswas C., Varykhalov A., Rader O. Large spin-orbit splitting in light quantum films: Al/W(110) // Phys. Rev. B. -2010. - Vol. 82. - P. 233403.

118. Шикин А.М., Рыбкин А.Г., Марченко Д.Е., Усачев Д.Ю., Адамчук В.К., Варыха-лов А.Ю., Rader O. Индуцированное подложкой спин-орбитальное расщепление квантовых и интерфейсных состояний в слоях Au, Ag и Cu различной толщины на поверхностях W(110) и Mo(110) // Физика твердого тела. - 2010. - Т. 52. - С. 1412.

119. Shikin A. M., Varykhalov A., Prudnikova G.V., Usachov D., Adamchuk V. K., Yamada Y., Riley J. D., Rader O. Origin of Spin-Orbit Splitting for Monolayers of Au and Ag on W(110) and Mo(110) // Phys. Rev. Lett. - 2008. - Vol. 100. - P. 057601.

120. Kimura A., Krasovskii E. E., Nishimura R., Miyamoto K., Kadono T., Kanomaru K., Chulkov E.V., Bihlmayer G., Shimada K., Namatame H., Taniguchi M. Strong Rashba-Type Spin Polarization of the Photocurrent from Bulk Continuum States: Experiment and Theory for Bi(111) // Phys. Rev. Lett. - 2010. - Vol. 105. - P. 076804.

121. Rybkin A. G., Krasovskii E. E., Marchenko D., Chulkov E. V., Varykhalov A., Rader O., Shikin A. M. Topology of spin polarization of the 5d states on W(110) and Al/W(110) surfaces // Phys. Rev. B. - 2012. - Vol. 86. - P. 035117.

122. Shikin A. M., Rader O., Prudnikova G. V., Adamchuk V. K., Gudat W. Quantum well states of sp- and d-character in thin Au overlayers on W(110) // Phys. Rev. B. — 2002. — Vol. 65. — P. 075403.

123. Rybkin A. G., Shikin A. M., Marchenko D., Varykhalov A., Rader O. Spin-dependent avoided-crossing effect on quantum-well states in Al/W(110) // Phys. Rev. B. — 2012. — Vol. 85. — P. 045425.

124. Hortamani M., Wiesendanger R. Role of hybridization in the Rashba splitting of noble metal monolayers on W(110) // Phys. Rev. B. — 2012. — Vol. 86. — P. 235437.

125. Gaylord R. H., Kevan S. D. Spin-orbit-interaction-induced surface resonance on W(011) // Phys. Rev. B. — 1987. — Vol. 36. — P. 9337.

126. Rotenberg E., Chung J. W., Kevan S. D. Spin-Orbit Coupling Induced Surface Band Splitting in Li/W(110) and Li/Mo(110) // Phys. Rev. Lett. — 1999. — Vol. 82. — P. 4066.

127. Bentmann H., Kuzumaki T., Bihlmayer G., Blugel S., Chulkov E. V., Reinert F., Sakamoto K. Spin orientation and sign of the Rashba splitting in Bi/Cu(111) // Phys. Rev. B. — 2011. — Vol. 84. — P. 115426.

128. Marchenko D., Varykhalov A., Rybkin A., Shikin A. M., Rader O. Atmospheric stability and doping protection of noble-metal intercalated graphene on Ni(111) // Appl. Phys. Lett.

— 2011. — Vol. 98. — P. 122111.

129. Zhizhin E.V., Varykhalov A., Rybkin A.G., Rybkina A.A., Pudikov D.A., Marchenko D., Sánchez-Barriga J., Klimovskikh I.I., Vladimirov G.G., Rader O., Shikin A.M. Spin splitting of Dirac fermions in graphene on Ni intercalated with alloy of Bi and Au // Carbon.

— 2015. — Vol. 93. — P. 984.

130. Umezawa K., Nakanishi S., Gibson W. M. Growth modes depending on the growing temperature in heteroepitaxy: Au/Ni(111) // Phys. Rev. B. — 1998. — Vol. 57. — P. 8842.

131. Jacobsen J., Nielsen L. Pleth, Besenbacher F., Stensgaard I., Lrngsgaard E., Rasmussen T., Jacobsen K.W., N J.K. Atomic-Scale Determination of Misfit Dislocation Loops at MetalMetal Interfaces // Phys. Rev. Lett. — 1995. — Vol. 75. — P. 489.

132. Marchenko D., Varykhalov A., Scholz M.R., Bihlmayer G., Rashba E.I., Rybkin A., Shikin A.M., Rader O. Giant Rashba splitting in graphene due to hybridization with gold // Nature Communications. — 2012. — Vol. 3. — P. 1232.

133. Марченко Д.Е. Особенности электронной и спиновой структуры низкоразмерных систем на основе углерода и атомов различных металлов. — Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук, СПбГУ, г. Санкт-Петербург, 2015.

134. Ma D., Li Z, Yang Z. Strong spin-orbit splitting in graphene with adsorbed Au atoms // Carbon. — 2012. — Vol. 50. — P. 297.

135. Abdelouahed S., Ernst A., Henk J., Maznichenko I. V., Mertig I. Spin-split electronic states in graphene: Effects due to lattice deformation, Rashba effect, and adatoms by first principles // Phys. Rev. B. — 2010. — Vol. 82. — P. 125424.

136. Papagno M., Moras P., Sheverdyaeva P. M., Doppler J., Garhofer A., Mittendorfer F., Redinger J., Carbone C. Hybridization of graphene and a Ag monolayer supported on Re(0001) // Phys. Rev. B. — 2013. — Vol. 88. — P. 235430.

137. Marchenko D., Sanchez-Barriga J., Scholz M. R., Rader O., Varykhalov A. Spin splitting of Dirac fermions in aligned and rotated graphene on Ir(111) // Phys. Rev. B. — 2013. — Vol. 87. — P. 115426.

138. Sutter P., Sadowski J. T., Sutter E. Graphene on Pt(111): Growth and substrate interaction // Phys. Rev. B. — 2009. — Vol. 80. — P. 245411.

139. Miron I. M., Gaudin G., Auffret S., Rodmacq B., Schuhl A., Pizzini S., Vogel J., Gambardella P. Current-driven spin torque induced by the Rashba effect in a ferromagnetic metal layer // Nature Materials. — 2010. — Vol. 9. — P. 230-234.

140. Klimovskikh I. I., Tsirkin S. S., Rybkin A. G., Rybkina A. A., Filianina M. V., Zhizhin E. V., Chulkov E. V., Shikin A. M. Nontrivial spin structure of graphene on Pt(111) at the Fermi level due to spin-dependent hybridization // Phys. Rev. B. — 2014. — Vol. 90. — P. 235431.

141. Bardi U., Atrei A., Rovida G. Initial stages of oxidation of the Ni3AI alloy: structure and composition of the aluminum oxide overlayer studied by XPS, LEIS and LEED // Surface Science. — 1992. — Vol. 268. — P. 87.

142. Pevedic S. Le, Schmaus D., Cohen C. Growth of Ni-Al alloys on Ni(111), from Al deposits of various thicknesses: (II) Formation of NiAl over a Ni3Al interfacial layer // Surface Science. — 2007. — Vol. 601. — P. 395.

143. Pévédic S. Le, Schmaus D., Cohen C. Growth of Ni-Al alloys on Ni(111): (I) Formation of epitaxial Ni3Al from ultra-thin Al deposits // Surface Science. — 2006. — Vol. 600. — P. 565.

144. Bennett P. A., Fuggle J. C., Hillebrecht F. U., Lenselink A., Sawatzky G. A. Electronic structure of Ni and Pd alloys. III. Correlation effects in the Auger spectra of Ni alloys // Phys. Rev. B. — 1983. — Vol. 27. — P. 2194.

145. Morinaga M., Nasu S., Adachi H., Saito J., Yukawa N. Alloying effect on the electronic structure of aluminium // J.Phys.:Condens. Matter. — 1991. — Vol. 3. — P. 6817.

146. Voloshina E. N., Generalov A., Weser M., Böttcher S., Horn K., Dedkov Yu. S. Structural and electronic properties of the graphene/Al/Ni(111) intercalation system // New J. Phys.

— 2011. — Vol. 13. — P. 113028.

147. Giovannetti G., Khomyakov P. A., Brocks G., Karpan V. M., van den Brink J.,, Kelly P. J. Doping Graphene with Metal Contacts // Phys. Rev. Lett. — 2008. — Vol. 101. — P. 026803.

148. Enderlein C., snd A. Bostwick Y. S. Kim, Rotenberg E., Horn K. The formation of an energy gap in graphene on ruthenium by controlling the interface // New J. Phys. — 2010.

— Vol. 12. — P. 033014.

149. Pesin D., MacDonald A. H. Spintronics and pseudospintronics in graphene and topological insulators // Nature Materials. — 2012. — Vol. 11. — Pp. 409-416.

150. Mao Yu., Yuan J., Zhong J. Density functional calculation of transition metal adatom adsorption on graphene // J. Phys.: Condens. Matter. — 2008. — Vol. 20. — P. 115209.

151. Cao Ch., Wu M., Jiang J., Cheng H.-P. Transition metal adatom and dimer adsorbed on graphene: Induced magnetization and electronic structures // Phys. Rev. B. — 2010. — Vol. 81. — P. 205424.

152. JohllH., KangH. Ch., Tok E. S. Density functional theory study of Fe, Co, and Ni adatoms and dimers adsorbed on graphene // Phys. Rev. B. — 2009. — Vol. 79. — P. 245416.

153. Virgus Yu., Purwanto W., Krakauer H., Zhang Sh. Ab initio many-body study of cobalt adatoms adsorbed on graphene // Phys. Rev. B. — 2012. — Vol. 86. — P. 241406(R).

154. Eelbo T., Wasniowska M., Thakur P., Gyamfi M., Sachs B., Wehling T. O., Forti S., Starke U., Tieg C., Lichtenstein A. I., , Wiesendanger R. Adatoms and Clusters of 3d Transition Metals on Graphene: Electronic and Magnetic Configurations // Phys. Rev. Lett. - 2013. - Vol. 110. - P. 136804.

155. Donati F., Dubout Q., Autes G., Patthey F., Calleja F., Gambardella P., Yazyev O.V., Brune H. Magnetic Moment and Anisotropy of Individual Co Atoms on Graphene // Phys. Rev. Lett. - 2013. - Vol. 111. - P. 236801.

156. Smith N. V., Brookes N. B., Chang Y., Johnson P. D. Quantum-well and tight-binding analyses of spin-polarized photoemission from Ag/Fe(001) overlayers // Phys. Rev. B. -1994. - Vol. 49. - P. 332.

157. B.Brookes N., Chang Y., Johnson P. D. Ag/Fe(001) interface // Phys. Rev. B. - 1994. -Vol. 50. - P. 15330.

158. Carbone C., Vescovo E., Rader O., Gudat W., Eberhardt W. Exchange Split Quantum Well States of a Noble Metal Film on a Magnetic Substrate // Phys. Rev. Lett. - 1993. -Vol. 71. - P. 2805.

159. Krupin O., Bihlmayer G., Starke K., Gorovikov S., Prieto J. E., Dobrich K., Blugel S., Kaindl G. Rashba effect at magnetic metal surfaces // Phys. Rev. B. - 2005. - Vol. 71. - P. 201403(R).

160. Karpan V. M., Giovannetti G., Khomyakov P. A., Talanana M., Starikov A. A., Zwierzy-cki M., van den Brink J., Brocks G., Kelly P. J. Graphite and Graphene as Perfect Spin Filters // Phys. Rev. Lett. - 2007. - Vol. 99. - P. 176602.

161. Karpan V. M., Khomyakov P. A., Starikov A. A., Giovannetti G., Zwierzycki M., Talanana M., Brocks G., van den Brink J., Kelly P. J. Theoretical prediction of perfect spin filtering at interfaces between close-packed surfaces of Ni or Co and graphite or graphene // Phys. Rev. B. - 2008. - Vol. 78. - P. 195419.

162. Kim W. Y., Kim K. S. Prediction of very large values of magnetoresistance in a graphene nanoribbon device // Nature Nanotechnology. - 2008. - Vol. 3. - P. 408.

163. Cho Y., Choi Y. Ch., Kim K. S. Graphene Spin-Valve Device Grown Epitaxially on the Ni(111) Substrate: A First Principles Study // J. Phys. Chem. C. - 2011. - Vol. 115. -P. 6019.

164. Tombros N., Jozsa C., Popinciuc M., Jonkman H. T., van Wees B. J. Electronic spin transport and spin precession in single graphene layers at room temperature // Nature. — 2007. — Vol. 448. — P. 571.

165. Tombros N., Tanabe S., Veligura A., Jozsa C., Popinciuc M., Jonkman H. T., van Wees B. J. Anisotropic Spin Relaxation in Graphene // Phys. Rev. Lett. — 2008. — Vol. 101. — P. 046601.

166. Popinciuc M., Jozsa C., Zomer P. J., Tombros N., Veligura A., Jonkman H. T., van Wees B. J. Electronic spin transport in graphene field-effect transistors // Phys. Rev. B.

— 2009. — Vol. 80. — P. 214427.

167. Bader S.D., Parkin S.S.P. Spintronics // Annu. Rev. Condens. Matter Phys. — 2010. — Vol. 1. — Pp. 71-88.

168. Locatelli N., Cros V., Grollier J. Spin-torque building blocks // Nature materials. — 2014.

— Vol. 13. — P. 11.

169. Manchon A., Zhang S. Theory of spin torque due to spin-orbit coupling // Phys. Rev. B.

— 2009. — Vol. 79. — P. 094422.

170. Khvalkovskiy A. V., Cros V., Apalkov D., Nikitin V., Krounbi M., Zvezdin K. A., Anane A., Grollier J., Fert A. Matching domain-wall configuration and spin-orbit torques for efficient domain-wall motion // Phys. Rev. B. — 2013. — Vol. 87. — P. 020402(R).

171. Miron I. M., Garello K., Gaudin G., Zermatten P.-J., Costache M. V., Auffret S., Bandiera S., Rodmacq B., Schuhl A., Gambardella P. Perpendicular switching of a single ferromagnetic layer induced by in-plane current injection // Nature. — 2011. — Vol. 476.

— P. 189.

172. Emori S., Bono D. C., Beach G. S. D. Interfacial current-induced torques in Pt/Co/GdOx // Appl. Phys. Lett. — 2012. — Vol. 101. — P. 042405.

173. Chen J., Jalil M. B. A., Tan S. G. Spin torque due to non-uniform Rashba spin orbit effect // AIP Advances. — 2012. — Vol. 2. — P. 042133.

174. Pesin D. A., MacDonald A. H. Quantum kinetic theory of current-induced torques in Rashba ferromagnets // Phys. Rev. B. — 2012. — Vol. 86. — P. 014416.

175. Liu L., Moriyama T., Ralph D. C., Buhrman R. A. Spin-Torque Ferromagnetic Resonance Induced by the Spin Hall Effect // Phys. Rev. Lett. — 2011. - Vol. 106. - P. 036601.

176. Liu L., Lee O. J., Gudmundsen T. J., Ralph D. C., Buhrman R. A. Spin-Torque Ferromagnetic Resonance Induced by the Spin Hall Effect // Phys. Rev. Lett. — 2012. — Vol. 109. - P. 096602.

Список сокращений и терминов

АСМ - атомно-силовая микросокпия

СТМ - сканирующая туннельная микроскопия

HOPG - высоко-ориентированный пиролитический графит

ЗБ - зона Бриллюэна

пЗБ - поверхностная зоны Бриллюэна

CVD - химическое осаждение из газовой фазы (chemical vapor déposition) ФЭС (PES) - фотоэлектронная спектроскопия

ФЭСУР (ARPES) - фотоэлектронная спектроскопия с угловым разрешением Спин-разрешенная ФЭСУР (SR-ARPES) - фотоэлектронная спектроскопия с угловым и спиновым разрешением

РФЭС (XPS) - рентегновская фотоэлектронная спектроскопия

ПШПВ (FWHM) - ширина пика на уровне половинной амплитуды

СИ - синхротронное излучение

ВЭУ - вторично-электронный умножитель

ДМЭ (LEED) - дифракция медленных электронов

нА - нано амперы (1х10-9 A)

HOPG - высоко ориентированный пиролитический графит

NEXAFS - Near edge X-ray absorption fine structure (ближняя тонкая структура рентгеновских спектров поглощения)

КЭС - квантовые электронные состояния МС - монослой (слой толщиной в один атом)

РЦ ФМИП - Ресурсный центр Научного парка СПбГУ «Физические методы исследования поверхности»

ФМ - ферромагнитный, ферромагнетик