Сведения о фактическом выполнении плана работы в отчетный период:
В рамках проекта в отчетном периоде выполнены следующие работы:
1. Продолжено исследование магнитно-спин-орбитального графена на металлической подложке. Проведены теоретические исследования факторов, влияющих на электронную структуру магнитно-спин-орбитального графена.

1.1. Проведены теоретические расчеты для различных моделей системы графен/Au/Co/W: с отсутствием петлевых дислокаций на интерфейсе Au/Со, с различными направлениями магнетизации и варьируемым расстоянием между графеном и слоем Au.
В рамках проекта была исследована система Gr/Au/Co(0001) с большой размерностью суперячейки и с петлевой дислокацией в Au-Co слое. В приложенном файле с Дополнительными материалами представлены иллюстрации и графики к настоящему отчету. На рис. 1 в Доп. материалах представлен DFT расчет суперячейки с петлевой дислокацией (a) и без нее (б). Сравнение двух расчетов позволило подтвердить магнитную природу наблюдаемой запрещенной зоны в К точках графена. Элементарная ячейка без петлевой дислокации была построена на основе исходной с расстоянием Gr-Au равным 3,36 Å. В этом случае запрещенная зона в точке Дирака примерно в два раза меньше (см. состояния графена с направлением спина «вверх»), чем для структуры с петлевыми дислокациями, за счет подавления подрешеточного ферримагнетизма (магнитного моменты на атомах графена подрешеток A и B одного знака и близки к 0,002 и 0,007 µB). В то же время для «спин-вниз» состояний графена и кобальта наблюдается сильная гибридизация в области точки Дирака.
Исследования электронной структуры графена в программном пакете OpenMX с учетом неколлинеарного магнетизма позволили подтвердить ферримагнетизм в графене как для намагниченности в плоскости поверхности, так и перпендикулярно ей. На рис. 2 в Доп. материалах представлены ячейки с магнитными моментами на атомах для двух направлений намагниченности кобальта. Как следует из расчетов, направления магнитных моментов на графене задаются осью намагниченности кобальта и противоположны друг другу для двух подрешеток графена.

1.2. Проведено теоретическое исследование электронной структуры системы графен/Au/Co/W в присутствии кластеров Au или Co над/под графеном.
Для анализа влияния возможных структурных неоднородностей на электронную и спиновую структуру графена были выполнены DFT расчеты для системы Gr/Au/Co с различными вариантами дополнительных кластеров:
1) Кластер из трех атомов кобальта под графеном, который может сформироваться при образовании петлевой дислокации.
На рис. 3 в Доп. материалах показано, что π состояния графена (отмечены пунктиром) сильно гибридизованы с d-состояниями кобальта, Дираковский конус оказывается разрушенным. При этом графен оказывается намагниченным ферромагнитно по отношению к слою кобальта, с намагниченностями на атомах углерода ~0.9µB.
2) Адатомы золота под графеном в результате избыточной интеркаляции.
Обнаружено, что для данной системы сохраняется ферримагнетизм в графеновой решетке с намагниченностями на атомах углерода ~ 0.010÷0.011µB и –(0.011÷0.012)µB на подрешетках графена, дополнительный атом золота в ячейке приводит к увеличению расщепления Рашбы до ~20 мэВ. Запрещенная зона составляет ~ 80 мэВ и наблюдается в результате антиферромагнитного взаимодействия в графене.
3) Адатомы золота на графене, оставшиеся на поверхности после интеркаляции.
В данном случае мы не наблюдаем увеличение расщепления Рашбы вблизи уровня Ферми. Ферримагнетизм сохраняется, но доля антиферромагнетизма уменьшается, что приводит к уменьшению запрещенной зоны до 40 мэВ. Ферромагнитный вклад в расщепление увеличивается до ~50мэВ. Аналогичное поведение наблюдается и для случая сближенного графена к слою золота на 0.3Å от равновесного состояния.
На основе проведенных вычислений можно сделать вывод, что проявление гигантского расщепления Рашбы может быть связано с формированием кластеров золота под графеном. Однако наличие таких кластеров не нарушает ферримагнитный порядок на подрешетках графена. Немаловажную роль могут играть корругация слоя золота под графеном и вклад фононных колебаний в графене. Управление количеством атомов золота над/под графеном может быть использовано для поиска оптимального соотношения между спин-орбитальным и обменным взаимодействиями для наблюдения квантового аномального эффекта Холла.

1.3. Проведены исследования Дираковских состояний в точке Г зоны Бриллюэна магнитно-спин-орбитального графена на металлической подложке Co(0001)/W(110).
Исследование электронной структуры системы Gr/Au/Co показало наличие Дираковских состояний в окрестности Г точки вблизи уровня Ферми. Для лучшей визуализации на рис. 6 в Доп. материалах показан расчет для системы 1ML Au/Co без графена. Дираковские состояния, отмеченные пунктирными линиями, не характерны ни для слоя кобальта, ни для монослоя золота по отдельности и появляются в результате гибридизации между слоем кобальта и монослоем золота. Известно, что поверхностные состояния монокристалла Au(111) являются нетривиальными, топологическими поверхностными состояниями [1]. Однако, характер дисперсии и наличие гибридизации наблюдаемых состояний для системы Au/Co схож с представленными в работе [2] для ферромагнитного топологического изолятора в случае магнитного поля в плоскости поверхности образца. В нашем случае неравновесное заполнение двух Дираковских состояний согласуется с тем, что монослой золота ферримагнитен и суммарно по всем атомам намагничен против кобальта.
Области, отмеченные прямоугольными рамками, показаны в увеличенном виде в нижнем ряду. Красные и синие линии из точек одинакового размера на (b) и (c) показывают дисперсионные зависимости, полученные для слоя кобальта без слоя золота (приведены для сравнения).

По результатам работы по п. 1. подготовлена статья для публикации в журнале Physical Review Letters. Статья была направлена в редакцию PRL 28 декабря 2021 г. На данный момент по статье получены комментарии рецензентов и готовятся ответы:
A. G. Rybkin, A. V. Tarasov, A. A. Rybkina, D. Yu. Usachov, A. E. Petukhov, A. V. Eryzhenkov, D. A. Pudikov, A. Gogina, Ilya I. Klimovskikh, G. Di Santo, L. Petaccia, A. Varykhalov, and A. M. Shikin "Sublattice ferrimagnetism in quasi-freestanding graphene" submitted to Physical Review Letters, на стадии подготовки ответов рецензентам (2022)

2. Продолжено исследование системы графен/силицид кобальта/SiC(0001), полученной в результате интеркаляции атомов Co под буферный слой графена на SiC.
В предшествующем отчетном периоде нами были синтезированы образцы буферного слоя графена на 6H-SiC(0001) и осуществлена интеркаляция атомов Co под буферный слой графена на подложке 6H-SiC(0001). Буферный слой графена – это 6√3×6√3R30 графеноподобная реконструкция поверхности, получаемая в ходе отжига и графитизации монокристалла SiC. Благодаря интеркаляции кобальта под буферный слой происходит его трансформация в монослой графена. В результате такого синтеза происходит формирование квазисвободного монослойного графена на ультратонком слое силицидов кобальта со стехиометрией близкой к CoSi/CoSi2.

2.1. Проведено исследование микроструктуры поверхности системы графен/силицид кобальта/SiC(0001).
Для исследования структуры поверхности синтезированной системы графен/CoSi/CoSi2/SiC(0001), были проведены исследования методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). Для получения изображений использовались два детектора: внутрилинзовый детектор вторичных электронов In-Lens и детектор Эверхарта-Торнли SE2. С помощью детектора вторичных электронов типа Эверхарта-Торнли собираются изображения, передающие рельеф поверхности образца, так как сигнал вторичных электронов очень чувствителен к топографии и рельефу поверхности.
На рис. 7 в Доп. материалах показано СЭМ изображение в крупном масштабе для визуализации однородности поверхности образца и более детальное изображение. Анализ набора СЭМ изображений показал, что области со светлым и темным контрастом могут быть соотнесены с неравномерным ростом силицидов кобальта CoSi и CoSi2. Это согласуется с литературными данными о механизме зарождения и роста плёнок CoSi2 на поверхности Si(100), когда CoSi2 начинает зарождаться на интерфейсе CoSi и Si [3-5]. Поэтому те области, где началось формирование CoSi2 нижележащего слоя, будут наблюдаться на СЭМ изображениях с более светлым контрастом. На рис. 8 в Доп. материалах показано сравнение двух СЭМ изображений поверхности образца с использованием детектора вторичных электронов типа Эверхарта-Торнли и внутрилинзового детектора вторичных электронов In-Lens. Детектор In-Lens регистрирует отраженные электроны, вылетевшие из поверхности образца, что позволяет получать информацию об обратном рассеянии на атомах в зависимости от их атомного номера (z-контраст). На рис. 8(b) в Доп. материалах показано изображение образца после цикла напыления кобальта на подложку при комнатной температуре с последующим отжигом системы и цикла напыления кобальта на нагретую подложку. Как было показано в отчете за первый год проекта и в работе [6], при напылении кобальта на подложку при комнатной температуре с последующим отжигом системы при T=550oC не удаётся достичь полной интеркаляции кобальта, в отличие от метода напыления кобальта сразу на нагретую подложку. Поэтому на СЭМ изображении мы можем наблюдать отдельные кластеры кобальта (белые точки на изображении), оставшиеся на поверхности графена после первого цикла напыления на подложку при комнатной температуре с последующим отжигом. Эти кластеры кобальта образуются при отжиге системы, когда атомы кобальта формируют кластеры и не принимают участия в дальнейших циклах интеркаляции.
Таким образом, проведенные в рамках проекта исследования по изучению структуры поверхности системы графен/CoSi/CoSi2/SiC(0001) позволили получить информацию об однородности синтезированной структуры на микромасштабе и об особенностях процесса интеркаляции атомов кобальта, проведенного двумя способами – напыление атомов кобальта на подложку при комнатной температуре с последующим отжигом системы и напыление сразу на нагретую подложку.
Результаты работы в данном направлении были использованы при дальнейшем анализе исследуемой системы.

2.2. Проведено исследование магнитных свойств системы графен/силицид кобальта/SiC(0001).
Для изучения магнитных свойств синтезированной системы графен/CoSi/CoSi2/SiC(0001) в рамках проекта были проведены измерения с помощью СКВИД-магнитометра MPMS во внешнем магнитном поле, приложенном в направлении вдоль поверхности образца, так как ось легкого намагничивания силицидов кобальта лежит в плоскости поверхности [7]. Изучив структуру ультратонкого слоя силицидов кобальта под графеном, мы понимали, что магнитные свойства синтезированной системы могут быть обусловлены либо CoSi, либо CoSi2 соединениями.
Известно, что силицид кобальта CoSi является диамагнетиком в объеме [8], однако может проявлять сильные магнитные свойства в наноформах благодаря наличию нескомпенсированных спинов поверхностных атомов кобальта [9]. При этом силицид кобальта CoSi2 не обладает магнитными свойствами как в объемном материале, так и в тонких пленках толщиной вплоть до нескольких нанометров [10].
В рамках проекта были измерены полевые зависимости намагниченности M(H) синтезированной системы графен/CoSi/CoSi2/SiC(0001), показанные на рис. 9 в Доп. материалах. Все кривые M(H) выходят в насыщение при сильных полях (30-40 кЭ). Это означает, что в сильных магнитных полях происходит ориентация всех спинов вдоль направления поля. Обнаружено, что при низких температурах и вплоть до 100 K на кривых M(H) наблюдается петля гистерезиса. Максимальное значение коэрцитивной силы при 2K достигает 180 Э и оно уменьшается с ростом температуры.
Интересной особенностью полученных данных является наличие петель на M(H) зависимостях в области положительных (от 0 до 25 кЭ) и отрицательных полей (от 0 до -25 кЭ). Подобные петли типичны для эпитаксиальных ферромагнитных тонких пленок с внутриплоскостной одноосной анизотропией, которая влияет на кубическую магнитокристаллическую анизотропию [10]. В таких системах изменение намагниченности сильно зависит от ориентации внешнего магнитного поля. Если направление магнитного поля не когерентно с одной из осей легкого намагничивания или слегка отклонено от оси трудного намагничивания, тогда намагничивание системы происходит сложнее и в M(H) зависимостях наблюдаются петли (two-jump loop), связанные с немонотонным поворотом магнитных моментов при увеличении внешнего магнитного поля.
Были проанализированы температурные зависимости магнитной восприимчивости χ(T) для исследуемой системы графен/CoSi/CoSi2/SiC(0001). Температурная зависимость магнитной восприимчивости, измеренная в поле 1кЭ, показана на рис. 9 в Доп. материалах. Магнитная восприимчивость имеет широкий максимум при температуре около 165 K. Подобная форма зависимостей χ(T) наблюдалась ранее в наночастицах феррита кобальта или железо-палладиевого сплава [11-13] и может быть обусловлена суперпарамагнитным взаимодействием магнитных центров в исследуемой системе. Отметим, что кривые ZFC и FC заметно расходятся при температурах от 0 до 165 K и небольшое расхождение остается во всем измеренном диапазоне до 300 K. Такое поведение температурной зависимости наряду с наличием петли гистерезиса на полевых зависимостях ранее наблюдалось для нанопроволок CoSi [9], где в объеме CoSi оставался немагнитным, а на поверхности атомы кобальта имели большой магнитный момент благодаря наличию нескомпенсированных спинов на поверхностных атомов кобальта.
Таким образом, было показано, что синтезированная система графен/CoSi/CoSi2/SiC(0001) демонстрирует ферромагнитные свойства и внутриплоскостное упорядочение магнитных моментов, в первую очередь обусловленное нанослоем CoSi под графеном.

Результаты работы в данном направлении вошли в статью по проекту:
A. A. Rybkina, S. O. Filnov, A. V. Tarasov, D. V. Danilov, M. V. Likholetova, V. Yu. Voroshnin, D. A. Pudikov, D. A. Glazkova, A. V. Eryzhenkov, I. A. Eliseyev, V. Yu. Davydov, A. M. Shikin, and A. G. Rybkin "Quasi-freestanding graphene on SiC(0001) via cobalt intercalation of zero-layer graphene" Phys. Rev. B 104, 155423 (2021)

2.3. Проведены теоретические DFT расчеты электронной и спиновой структуры системы графен/силицид кобальта/SiC(0001) с наведенным магнетизмом.
В рамках проекта проведено теоретическое исследование электронной и спиновой структуры системы графен/CoSi/CoSi2/SiC(0001). Благодаря экспериментальным исследованиям, было обнаружено, что ультратонкий силицидный слой под графеном, сформированный в результате интеркаляции атомов кобальта, имеет структуру CoSi/CoSi2. На основании полученных экспериментальных результатов и литературных данных была построена модельная ячейка данной структуры. После этого была проведена оптимизация модельной ячейки процедурой минимизации межатомных сил. На рис. 10 в Доп. материалах показана оптимизированная ячейка исследуемой системы, которая использовалась в расчете зонной структуры.
В ходе проекта стало очевидно, что теоретические расчеты зонной структуры исследуемой системы необходимо проводить с учетом намагниченности в силицидном слое, т.к. экспериментальные измерения магнитных свойств показали наличие ферромагнитного упорядочения, предположительно обусловленное магнитным слоем CoSi. Поэтому в рамках проекта проведены DFT расчеты с наведённым магнетизмом на атомах кобальта в ячейке. При этом были рассмотрены два случая: наведённый магнетизм на всех атомах кобальта в ячейке и наведённый магнетизм только на атомах кобальта верхнего слоя. Известно, что поверхностные атомы в слое CoSi отвечают за магнетизм наноразмерных объектов, тогда как в объеме это соединение немагнитное [9].
В результате расчетов, для системы с наведённым магнетизмом на всех атомах кобальта, магнитные моменты оказались меньше, чем для системы с магнетизмом только на поверхностных атомах. Это согласуется с литературными данными, в которых сообщалось о роли в появлении магнетизма именно поверхностных атомов кобальта в нанопроволках CoSi [9], а также согласуется с исследованиями объемных свойств силицидов кобальта CoSi и CoSi2, которые свидетельствуют от немагнитной природе этих соединений [8,10].
Зонная структура, рассчитанная на основе оптимизированных ячеек с наведенным магнетизмом для обоих случаев (магнетизм на всех атомах кобальта и магнетизм только на поверхностных атомах кобальта) показана на рис. 11 в Доп. материалах. Следует отметить, что в случае магнетизма только на поверхностных атомах кобальта в CoSi, наблюдается более выраженная гибридизация электронных состояний CoSi с состояниями графена. Подобные гибридизационные эффекты наблюдались в экспериментальных данных (см. ARPES карты интенсивности в статье по проекту [6]).
Для моделирования картины спиновой текстуры было использованы спектральные веса, которые были получены из внутриплоскостных проекций спина (±Sx) состояний углеродных атомов, путем уширения с использованием функции Лоренца с полушириной 0,05 эВ. Спиновая текстура системы графен/CoSi/CoSi2 показана на рис. 12 в Доп. материалах. Расчеты демонстрируют спиновую поляризацию состояний графена в области конуса Дирака около точки К зоны Бриллюэна. Спиновое расщепление между состояниями с направлением спина «вверх» и с направлением спина «вниз» составляет порядка 80 мэВ. Такой спиновой поляризации состояний графена будет достаточно для генерации спиновых токов при пропускании электрического тока через графен [14,15].
Таким образом, изучение оптимизированных модельных ячеек исследуемой системы и проведенные теоретические расчеты электронной и спиновой структуры исследуемой системы, а также сравнение полученных результатов с экспериментальными данными, позволили выявить возможные причины появления магнетизма в системе графен/CoSi/CoSi2/SiC(0001), а также определить влияние магнитных атомов на электронную и спиновую структуру графена.
Результаты работы в данном направлении готовятся к публикации.

3. Проведено изучение процесса интеркаляции атомов Au в систему графен/силицид кобальта/SiC(0001). Проведено исследование синтезированной системы после интеркаляции Au.
В рамках проекта выполнен следующий шаг по синтезу и изучению магнитно-спин-орбитального графена на полупроводниковой подложке. Проведена последующая интеркаляция атомов Au в систему графен/CoSi/CoSi2/SiC(0001). Как известно, интеркаляция золота под графен на металлических подложках Co(0001), Ni(111) и неметаллических подложках приводит к индуцированному спин-орбитальному взаимодействию в графене и гигантскому расщеплению по спину электронных состояний графена в окрестности точки Дирака. Предполагалось, что интеркаляция золота усилит спин-орбитальное взаимодействие в исследуемой системе и приведет к модификации электронной и спиновой структуры системы.

3.1. Проведено исследование электронной структуры валентной зоны и остовных уровней системы графен/силицид кобальта/SiC(0001) после интеркаляции атомов Au.
В рамках проекта проведена интеркаляция атомов золота путем напыления пленки толщиной 3.2 Å на предварительно обезгаженную и охарактеризованную поверхность системы графен/CoSi/CoSi2/SiC. После этого производился отжиг системы при 450oС и 500oС в течение 15 минут при каждой температуре.
Был проведен анализ фотоэлектронных спектров в области C 1s, Si 2p, Au 4f, Co 2p уровней после напыления Au и отжига системы. Для каждого спектра была проведена процедура разложения на спектральные компоненты. После этого были проанализированы форма и интенсивности полученных компонент. На рис. 13 в Доп. материалах показаны фотоэлектронные спектры для C 1s, Si 2p, Au 4f, Co 2p уровней для исследуемой системы с разложением на компоненты. В спектрах Si 2p, Au 4f были выделены компоненты, входящие в состав силицида золота, образованного при интеркаляции Au в систему графен/CoSi/CoSi2/SiC.
По отношению интенсивностей сигнала от взаимодействующих атомов Au 4f и Si 2p, можно оценить соотношение атомов золота и кремния как 2:1. Это коррелирует с литературными данными по напылению пленок золота на кремниевую подложку [16], в которых сообщается, что при напылении пленок золота толщиной более 2 Å, происходит структурная перестройка границы раздела, которая сопровождается разрывом связей Si-Si, формированием химических связей между атомами Si и Au и образованием области взаимной интердиффузии кремния и золота.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что на границе раздела между графеном и подложкой формируется переходный слой, в котором перемешаны атомы золота и кремния и зарождается силицид со стехиометрией Au2Si.
Фотоэлектронные спектры были измерены при различных углах вылета фотоэлектронов - по нормали к поверхности (0o) и под углом 60o к нормали. Затем каждый из этих спектров был разложен на спектральные компоненты и определены интенсивности компонент в виде площадей под кривыми. Интенсивность компоненты, измеренной при угле 60o, отнесенная к интенсивности компоненты, измеренной по нормали, дает нам отношение интенсивностей I(60o)/I(0o), которое позволяет анализировать элементный и химический состав образца в зависимости от глубины. Чем меньше отношение I(60o)/I(0o), тем глубже (дальше от поверхности) расположен элемент и соединение, в котором он находится. На основании полученных результатов мы делаем вывод о том, что графен является верхним слоем системы. При этом непосредственно под графеном сформирован силицид золота, близкий по стехиометрии к Au2Si, еще глубже расположены силициды кобальта CoSi и CoSi2, и в основании лежит подложка карбида кремния SiC. Полученные данные подтверждают, что в результате синтеза атомы золота интеркалировались под графеновый монослой с формированием переходного слоя, содержащего силицид золота Au2Si.
Исследование электронной структуры валентной зоны было проведено методом фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением (ARPES). Дисперсионные зависимости в области точки К поверхностной зоны Бриллюэна для исходной системы графен/CoSi/CoSi2/SiC показаны на рис. 14(a) в Доп. материалах. Электронные π состояния графена имеют линейный характер E(k) зависимости и образуют конус Дирака, характерный для графена. Точка Дирака при этом локализована вблизи уровня Ферми. Кроме состояний графена в электронной структуре обнаруживаются недиспергирующие плоские зоны при 2.8 эВ и 7.5 эВ, которые могут быть отнесены к соединению CoSi. После интеркаляции Au происходит модификация электронной структуры в окрестности точек К и Г (рис. 14(b) в Доп. материалах). В области энергий связи от 2.5 до 7.5 эВ наблюдается появление 5d состояний золота. Зона CoSi при 2.8 эВ при этом остается видимой на спектрах.
Дно π зоны графена расположено при энергии связи 7.5 эВ, что меньше, чем для графена на SiC(0001), Ni(111) или Co(0001). При этом энергия связи C 1s уровня графена в исследуемой системе также меньше, чем в графене на SiC(0001) (284.6 эВ), и оказывается близкой к энергии связи C 1s уровня графена на Ni(111) после интеркаляции Au (284.3 эВ). Энергетическое положение C 1s уровня и положение дна π зоны графена в точке Г коррелируют с энергией взаимодействия графена с подложкой. Чем меньше энергия C 1s уровня и положение дна π зоны, тем меньше энергия взаимодействия графена с подложкой.
Полученные результаты в совокупности с линейным спектром π состояний в области точки K свидетельствует о квазисвободном характере графена и слабом взаимодействии графена с нижележащей подложкой.

По результатам работы в данном направлении принята к печати статья:
А. А. Рыбкина, С. О. Фильнов, Д. А. Глазкова, О. Ю. Вилков, К. А. Бокай, Д. А. Пудиков, А. М. Шикин, А. Г. Рыбкин "Влияние интеркаляции золота на электронную структуру графена на Co-Si/SiC(0001)" Физика твердого тела, принята к печати в вып. № 8 (2022)

3.2. Проведено изучение транспортных свойств синтезированной системы графен/Au-Si/Co-Si/SiC(0001).
В рамках проекта были проведены измерения транспортных свойств синтезированной системы с интеркалированными атомами Co и Au – графен/Au-Si/Co-Si/SiC(0001). Исследования проводились на комплексе PPMS-9 + EverCool-II производства Quantum Design. Предварительно для нанесения контактов была изготовлена маска, а затем нанесены Au омические контакты. Схема расположения контактов и фотография образца с нанесенными контактами показаны на рис. 15 в Доп. материалах.
Были проведены измерения полевых и температурных зависимостей продольного сопротивления, а также полевых и температурных зависимостей поперечного холловского сопротивления. Измерения проводились при пропускании тока 0,001 мА и 0,1 мА для сравнения. Продольное сопротивление (Rxx) измерялось посредством снятия напряжения на канале Ch1, а холловское сопротивление (Rxy) – на канале Ch2 (см. рис. 15 в Доп. материалах).
На рис. 16 в Доп. материалах показаны на одном графике, но с разными осями ординат, температурные зависимости удельного продольного сопротивления ρxx и удельного холловского сопротивления ρxy. Было обнаружено, что удельное холловское сопротивление в двух точках меняет знак и достигает минимума отрицательного значения при температуре 106 K. Смена знака сопротивления происходит при температурах 81 K и 140 K и обусловлена сменой типа носителей заряда в поперечном направлении.
Продольное удельное сопротивление возрастает при низких температурах от 2 K до 70 K и после этого монотонно спадает от 70 до 300 K. На основании полученной зависимости продольного сопротивления определено значение удельного сопротивления при комнатной температуре, равное 6.7 мкОм см (T=300K). Полученное значение согласуется со значением сопротивления для листа графена на SiO2, которое равно 1 мкОм см [17].
На рис. 17 в Доп. материалах показаны полевые зависимости холловского сопротивления, измеренные при низкой температуре (5 K) и в критической точке температурной зависимости (106 K). Результаты измерений позволили обнаружить, что при низких температурах от 2 K до 81 K полевая зависимость сопротивления имеет вид, характерный для соединений Вейлевских полуметаллов, каким является и соединение CoSi в нашей системе [18,19]. Однако при смене знака холловского сопротивления с ростом температуры, меняется и форма полевой зависимости. И при температурах свыше 106 K полевая зависимость имеет уже линейный характер с отрицательным наклоном. Отрицательный наклон свидетельствует об отрицательном значении коэффициента Холла. Из полученных полевых зависимостей был определен коэффициент Холла, который составил 0.95x10-10 м3/Кл для температуры 5 K и -1.8x10-10 м3/Кл для температуры 106 K. На основании наблюдаемых зависимостей было сделано предположение о том, что в диапазоне температур от 2 до 81 K в сопротивлении преобладает вклад от нижележащего слоя CoSi, но с ростом температуры он спадает и при температурах свыше 106 K холловское напряжение определяется преимущественно носителями заряда в графене.
Дополнительно был проведен анализ возможности наблюдения аномального эффекта Холла, который определяется как дополнительный нелинейный вклад в линейную зависимость Rxy(B) обычного эффекта Холла. На рис. 17 в Доп. материалах показан вклад аномального эффекта Холла в исследуемой системе при температуре 106 K. Форма нелинейного вклада схожа с формой зависимости при 5 K, что может свидетельствовать об остаточном вкладе в сопротивление носителей из слоя CoSi. Более детальный анализ вклада аномального эффекта Холла в области нулевого поля требует проведения дополнительных исследований, в том числе с одновременной оптимизацией процесса синтеза и получением под графеном ультратонкого магнитного слоя с внеплоскостной намагниченностью. При этом наличие под графеном более тонкого CoSi также может быть интересно с точки зрения измерения транспортных свойств, т.к. CoSi является топологическим полуметаллом, в котором предсказывается аномальный и спиновый эффекты Холла [18,19].
Таким образом, в рамках проекта была показана возможность измерения транспортных свойств на синтезируемых образцах и определены характеристики системы с квазисвободным графеном на Au-Si/Co-Si/SiC(0001), полученной в результате интеркаляции атомов Co и Au.

4. На основании полученных результатов в рамках проекта проведен анализ областей применения синтезированных графен-содержащих систем.
В рамках проекта проведено всестороннее фундаментальное исследование магнитно-спин-орбитального графена на металлической подложке (Gr/Au/Co) и проделана значительная работа по разработке методики синтеза и получения квазисвободного графена, контактирующего с магнитным и тяжелым металлами на неметаллической подложке (Gr/Au-Co-Si/SiC), для его применения в устройствах спинтроники.
Фундаментальные и практические результаты, полученные в рамках данного проекта, являются очень важными для понимания физических явлений, происходящих в исследуемых системах. Коллектив авторов проекта, несомненно, продолжит активную работу в данном направлении. Необходимо учесть полученные результаты и оптимизировать методику синтеза магнитно-спин-орбитального графена на подложке SiC. При этом работу планируется вести в направлении уменьшения силицидообразования путем вариации количества и очерёдности интеркалируемых металлов с целью получения однородного ультратонкого металлического слоя с внеплоскостной намагниченностью под графеном.

Однако уже сейчас можно выделить основные области применения исследуемых графен-содержащих систем – это наноэлектроника и спинтроника:
1) Реализация эффекта Холла с циркулярным дихроизмом – благодаря ферримагнетизму на подрешетках графена в системах с внутриплоскостной намагниченностью.
2) Реализация квантового аномального эффекта Холла в графене – благодаря комбинации сильного спин-орбитального и внеплоскостного обменного взаимодействий. Варьируя величины спин-орбитального и обменного взаимодействий за счет разного количества золота над/под графеном, возможно получить топологичекую фазу в графене для наблюдения квантового аномального эффекта Холла.
3) Генерация и транспорт спиновых токов в графене – благодаря спиновой поляризации электронных состояний конуса Дирака в графене при контакте с магнитными силицидами металлов.

Дополнительные сведения о выполнении работ в отчетном периоде.

При проведении исследований в рамках проекта использовалось современное оборудование следующих ресурсных центров Научного парка СПбГУ:
1) Ресурсный центр «Физические методы исследования поверхности» для синтеза систем и исследования электронной структуры in situ, т.е. без нарушения вакуумных условий.
2) Ресурсный центр «Междисциплинарный ресурсный центр по направлению "Нанотехнологии"» для изучения микроструктуры поверхности синтезированных систем.
3) Ресурсный центр «Центр диагностики функциональных материалов для медицины, фармакологии и наноэлектроники» для исследования магнитных и транспортных свойств синтезированных систем.
4) Ресурсный центр «Вычислительный центр СПбГУ» для проведения теоретических DFT расчетов.

Часть фотоэмиссионных исследований проведены в центре синхротронного излучения BESSY II (HZB, Германия) на станции RG-PES российско-немецкого канала вывода.

По результатам выполнения проекта участниками представлено два устных очных доклада и один стендовый доклад на российских конференциях с международным участием.

Из средств сметы проекта в отчетном периоде произведена закупка компактного вакуумного перчаточного бокса VG-C, предназначенного для работы в вакууме или среде инертного газа (производитель: Sanplatec, Япония). Закупленный вакуумный перчаточный бокс использовался в отчетном периоде для хранения подготовленных образцов с графен-содержащими системами на SiC между проводимыми экспериментами для обеспечения сохранности поверхности. Кроме того, в начале отчетного периода завершена закупка полуизолирующих пластин монокристалла SiC(0001) (4 шт. по 2 дюйма) из средств сметы первого года. Закупленные пластины использовались в отчетном периоде для синтеза исследуемых систем.

Публикации по результатам выполнения проекта в отчетном периоде:
1. A. A. Rybkina, S. O. Filnov, A. V. Tarasov, D. V. Danilov, M. V. Likholetova, V. Yu. Voroshnin, D. A. Pudikov, D. A. Glazkova, A. V. Eryzhenkov, I. A. Eliseyev, V. Yu. Davydov, A. M. Shikin, and A. G. Rybkin "Quasi-freestanding graphene on SiC(0001) via cobalt intercalation of zero-layer graphene" Phys. Rev. B 104, 155423 (2021) Impact Factor = 4.036
2. А. А. Рыбкина, С. О. Фильнов, Д. А. Глазкова, О. Ю. Вилков, К. А. Бокай, Д. А. Пудиков, А. М. Шикин, А. Г. Рыбкин "Влияние интеркаляции золота на электронную структуру графена на Co-Si/SiC(0001)" Физика твердого тела, принята к печати в вып. № 8 (2022) Impact Factor = 0.895
3. A. G. Rybkin, A. V. Tarasov, A. A. Rybkina, D. Yu. Usachov, A. E. Petukhov, A. V. Eryzhenkov, D. A. Pudikov, A. Gogina, Ilya I. Klimovskikh, G. Di Santo, L. Petaccia, A. Varykhalov, and A. M. Shikin "Sublattice ferrimagnetism in quasi-freestanding graphene" submitted to Physical Review Letters, на стадии подготовки ответов рецензентам (2022) Impact Factor = 9.161
4. А. А. Рыбкина, С. О. Фильнов, А. В. Тарасов, А. В. Ерыженков, Д. А. Глазкова, Д. А. Пудиков, М. В. Лихолетова, А. М. Шикин, А. Г. Рыбкин "Интеркаляция буферного слоя графена на SiC(0001) атомами Co и Au для применения в спинтронике" Труды XXVI Международного симпозиума "Нанофизика и наноэлектроника" том 2: секция 3, с. 1002-1003 (2022)

Список использованной в отчете литературы:
[1] Yan, B., Stadtmüller, B., Haag, N. et al. Nat Commun 6, 10167 (2015)
[2] H. Wang et al. Mater. Horiz., 7, 2431-2438 (2020)
[3] A. Appelbaum, R. V. Knoell, and S. P. Murarka, J. Appl. Phys. 57, 1880 (1985)
[4] C. M. Comrie, et al., J. Appl. Phys. 113, 234902 (2013)
[5] A. H. van Ommen, et al., J. Appl. Phys. 64, 2706 (1988)
[6] A. A. Rybkina, et al., Phys. Rev. B 104, 155423 (2021)
[7] K. Wang, Y. Zhao, G. Li, C. Wu, Q. Wang, and J. He, IEEE Trans. Magn. 51, 1 (2015)
[8] V. N. Narozhnyi and V. N. Krasnorussky, J. Exp. Theor. Phys. 116, 780 (2013)
[9] K. Seo, et al., Nano Lett. 7, 1240 (2007)
[10] B. Hu, et al. , Chin. Phys. B 24, 017502 (2015)
[11] C. Liu, A. J. Rondinone, and Z. J. Zhang, Pure Appl. Chem. 72, 37 (2000)
[12] V. H. Ojha and K. M. Kant, J. Phys. Chem. Solids 148, 109655 (2021)
[13] R. Nazir, et al., Nanotechnology 19, 185608 (2008)
[14] A. M. Shikin, et al., Applied Physics Letters 105, 042407 (2014)
[15] A. A. Rybkina, et al., Nanotechnology 31, 165201 (2020)
[16] S. L. Molodtsov, et al., Phys. Rev. B 44, 8850 (1991)
[17] J.-H. Chen et al., Nature Nanotechnology vol. 3, p.206–209 (2008)
[18] E. Liu et al., Nature Physics vol. 14, p. 1125–1131 (2018)
[19] K. Tang et al., Phys. Rev. Research 3, 033101 (2021)