В рамках проекта в отчетном периоде согласно поставленным задачам проводились исследования двух типов образцов: (I) магнитно-спин-орбитальный графен на металлической подложке (графен/Au/Co(0001)/W(110)); (II) буферный слой графена на 6H-SiC(0001) с последующей интеркаляцией Co для реализации магнитно-спин-орбитального графена на неметаллической подложке. Благодаря использованию современных экспериментальных методов и теоретических расчетов, за отчетный период удалось достичь высоких результатов и сделать значительный вклад в изучение электронной структуры магнитно-спин-орбитального графена и реализуемых в нем эффектов. В рамках проекта получены следующие важнейшие результаты:

1. Исследована электронная и спиновая структура магнитно-спин-орбитального графена на металлической подложке (Gr/Au/Co(0001)/W(110)). Проведены теоретические DFT расчеты электронной структуры магнитно-спин-орбитального графена с учетом периодических структурных дислокаций.
Проведены экспериментальные и теоретические исследования электронной энергетической и спиновой структуры графена на подложке (монослой Au)/Co(0001) с дислокационными петлями. Проведено теоретическое моделирование изображений сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) для исследуемой системы. Хорошее согласие экспериментальных и теоретических результатов подтверждает наличие дислокационных петель, образованных отсутствующими атомами в слое Co, что приводит к формированию треугольных структурных дефектов на поверхности исследуемой системы. Обнаружено, что благодаря наличию периодических дислокационных петель в графене могут одновременно наблюдаться сильное обменное и спин-орбитальное взаимодействия и сохраняться квазисвободный характер графена, при этом графен оказывается намагничен путем взаимодействия с ферромагнитным слоем Co через монослой Au, в результате чего энергия обменного расщепления достигает значений 20-30 мэВ. Наличие дислокационных петель приводит к ферримагнитному упорядочению не только в слое золота, но и в вышележащем графене, в подрешетках типа A и B. Показано, что щель в K точке имеет магнитную природу и существует как для ферримагнитного, так и для антиферромагнитного упорядочения в подрешетках графена.
Расчеты методом сильной связи с использованием модельного гамильтониана, учитывающим спин-орбитальное взаимодействие и обменное взаимодействие на подрешетках графена, показали, что антиферромагнитное упорядочение приводит к открытию запрещенной зоны. С другой стороны, наличие ненулевой намагниченности графена в ферримагнитной фазе приводит к уменьшению величины щели, которая полностью закрывается в ферромагнитной фазе, но обменное спиновое расщепление в зонной структуре усиливается с увеличением намагниченности графена в целом.
Наличие большого спин-орбитального взаимодействием Рашбы и обменного взаимодействия подтверждаются асимметрией спинового расщепления в противоположных К точках графена (при SARPES измерениях) и согласуются с расчетами полнопотенциальным методом функционала плотности и методом сильной связи.
Экспериментальные и теоретические исследования в рамках проекта показали существование ферримагнитного упорядочения в системе графен/Au/Co, что является многообещающим для реализации эффекта Холла с круговым дихроизмом (CD Hall effect).

2. Отработана методика синтеза буферного слоя графена на подложке 6H-SiC(0001). Исследована электронная структура буферного слоя графена на SiC с помощью экспериментальных и теоретических методов.
Разработана универсальная методика формирования буферного слоя графена (ZLG) на SiC(0001), в результате которой формируется буферный слой графена хорошего качества. Методика синтеза ZLG на SiC заключается в пошаговом отжиге образца в условиях сверхвысокого вакуума с повышением температуры. Вторым отработанным методом синтеза ZLG на SiC является одностадийный высокотемпературный отжиг при 1150 °C в течение 10 мин с предварительным обезгаживанием образца при температуре около 1000 °C в течение 10 мин. Качество кристаллической структуры ZLG контролировалось с помощью LEED, а электронная структура оценивалась с помощью ARPES и XPS. В результате предложенной методики синтеза ZLG на SiC наблюдается однородная картина дифракции по всему образцу, что говорит о хорошем качестве синтезированного ZLG на SiC.

3. Проведены теоретические DFT расчеты электронной структуры буферного слоя графена на 6H-SiC(0001).
Проведены исследования электронной структуры синтезированного ZLG на SiC и измерены подробные ARPES карты электронной структуры. Для более детального анализа электронной структуры системы ZLG на SiC выполнены первопринципные расчеты в рамках теории функционала плотности (DFT). Зонная структура ZLG на политипе 6H-SiC(0001), рассчитанная в широком диапазоне энергий 0-17 эВ, была получена в данной работе и продемонстрирована впервые. При сравнении данных ARPES с расчетами зонной структуры можно заметить четкое совпадение основных особенностей в точках Г и К. Электронная структура ZLG на SiC не демонстрирует основных графеноподобных особенностей в области высокосимметричной точки К, а конус Дирака отсутствует из-за ковалентного взаимодействия атомов углерода с подложкой. Особый интерес представляет воспроизведение в расчете экспериментально наблюдаемой области гибридизации электронных состояний ZLG с состояниями SiC-подложки в диапазоне 6-10 эВ по шкале энергии связи.

4. Изучен процесс интеркаляции ультратонкого слоя атомов кобальта (Co) под буферный слой графена на SiC. Исследована электронная структура системы графен/Co/SiC(0001).
Проведены исследования процесса интеркаляции атомов кобальта под буферный слой графена (ZLG) на 6H-SiC(0001). Обнаружено, что интеркаляция кобальта при напылением металла на нагретую подложку происходит эффективнее, чем в случае напыления кобальта при комнатной температуре с последующим отжигом. Исследован процесс интеркаляции атомов кобальта на нагретой поверхности ZLG/SiC. На основе анализа экспериментальных данных было показано, что в результате интеркаляции кобальта ZLG полностью трансформируется в монослой графена на подложке SiC. На основании экспериментальных XPS данных сделан вывод о полной интеркаляции атомов Co под ZLG на SiC и о взаимодействии интеркалируемого металла с подложкой с образованием приповерхностных соединений Co-Si, близких по стехиометрии к CoSi и CoSi2. При этом слабое взаимодействие подложки с монослоем графена приводит к формированию линейного конуса Дирака и квазисвободному характеру электронной структуры графена. Полученные результаты являются основой для дальнейшей реализации магнитно-спин-орбитального графена на изолирующей подложке и применения графена в устройствах спинтроники. Наличие силицида кобальта под графеном не противоречит дальнейшей реализации магнитно-спин-орбитального графена, так как известно, что силициды кобальта проявляют ферромагнитные свойства.

По результатам работы в рамках проекта подготовлено 2 статьи для публикации в журналах Physical Review B и Physical Review Letters и опубликованы научные труды конференций.
[1] A. A. Rybkina, S. O. Filnov, D. A. Glazkova, A. V. Tarasov, A. V. Eryzhenkov, I. A. Eliseev, V. Yu. Davydov, A. M. Shikin, and A. G. Rybkin «Transformation of zero-layer into quasi-freestanding graphene on SiC(0001) substrate by cobalt intercalation» подготовлена для отправки в редакцию журнала Physical Review B (2021), файл статьи прилагается к отчету в разделе Дополнительные материалы.
[2] Artem G. Rybkin, Artem V. Tarasov, Anna A. Rybkina, Dmitry Yu. Usachov, Anatoly E. Petukhov, Alexander V. Eryzhenkov, Dmitrii A. Pudikov, Alevtina Gogina, Ilya I. Klimovskikh, Giovanni Di Santo, Luca Petaccia, Andrei Varykhalov, and Alexander M. Shikin «Sublattice ferrimagnetism in quasi-freestanding graphene» готовится к публикации в журнале Physical Review Letters (2021)
[3] А. А. Рыбкина, С. О. Фильнов, Д. А. Глазкова, А. В. Тарасов, А. В. Ерыженков, А. М. Шикин, А. Г. Рыбкин «Трансформация буферного слоя в монослой графена на SiC(0001) посредством интеркаляции кобальта» Труды XXV Международного симпозиума "Нанофизика и наноэлектроника" Том 2: секция 3, с. 828-829, Издательство Нижегородского госуниверситета им. Н.И. Лобачевского, г. Нижний Новгород (2021)
[4] А.А. Рыбкина «Магнитно-спин-орбитальный графен для реализации устройств спинтроники» Сборник научных трудов VII ежегодного Всероссийского молодежного научного форума «Open Science 2020», индексируемый в РИНЦ. Издательство: Федеральное государственное бюджетное учреждение «Петербургский институт ядерной физики им. Б. П. Константинова НИЦ «Курчатовский институт» (Гатчина), принята к публикации (2020)