Магнитно-упорядоченные 2D системы с Дираковским конусом электронных состояний как ключевые материалы для устройств спинтроники и топологических квантовых компьютеров: 2021 г. этап 4

Проект: исполнение гранта/договораисполнение гранта/договора в целом

Сведения о проекте

описание для неспециалистов

Проведено детальное изучение особенностей электронной и спиновой структуры семейства антиферромагнитных топологических изоляторов MnBi2Te4 и анализ величины энергетической щели в точке Дирака. В рамках работы по проекту методом фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением была детально исследована серия образцов MnBi2Te4, изготовленных различными технологиями, и детально исследованы особенности их электронной структуры и вариации величины энергетической щели, открываемой в точке Дирака. Экспериментально было выявлено, что величина энергетической щели для различных образцов может изменяться в диапазоне между в широком диапазоне энергий от 15 до 65 мэВ. Согласно проведенным теоретическим расчетам методом теории функционала плотности было показано, что данное изменение может быть связано с наличием некомпенсированного заряда на поверхности. Этот заряд может создаваться дефектами на поверхности или в приповерхностной области. Таким образом изменяя дефектность образца, можно управлять величины щели, открываемой в точке Дирака, и может позволить переключать состояние квантового аномального эффекта Холла (включение/выключение) или аксионного изолятора в тонких слоях MnBi2Te4 при приложении электрического поля.
В рамках работ по проекту проведены исследования изменений электронной структуры систем MnSb(2-x)BixTe4 с вариацией уровня допирования атомами Sb и показан соответствующий сдвиг положения точки Дирака в сторону уровня Ферми при росте концентрации Sb. Показано, что наиболее оптимальным для применения в спинтронике является стехиометрический состав, соответствующий уровню допирования атомами Sb 30%. В этом случае точка Дирака и соответствующая энергетическая щель, открываемая в точке Дирака, находятся на уровне Ферми.
Проведено исследование возможности модуляции электронной структуры топологических состояний и величины щели в точке Дирака для магнитно-легированных топологических изоляторов атомами магнитных переходных металлов. В результате проведенных работ было показано, что атомы Co связываются с поверхностными атомами подложки, при этом меняется положение точки Дирака.
В рамках проекта были сделаны попытки поверхностного легирования ТИ BiSbTeSe2 атомами Co и Mn. В результате в структуре поверхностных топологических состояний наблюдается появление запрещенной зоны в точке Дирака величиной до 21 мэВ. Способ поверхностного легирования ТИ может оказаться наиболее перспективным для создания магнитных ТИ, так как не нарушается объемная структура материла и при этом магнитный слой может эффективно взаимодействовать с топологическими поверхностными состояниями, приводя к открытию запрещенной зоны в точке Дирака.
Проведены исследования электронной структуры и анализ поверхностной кристаллической структуры системы с квазисвободным графеном, сформированным на поверхности монокристалла SiC, и получена информация о структуре после интеркаляции Co. Было продемонстрировано, что в результате интеркаляции кобальта между квазисвободным графеном и подложкой SiC образуется ультратонкая силицидная структура CoSi/CoSi2. Наличие наноразмерного слоя CoSi под квазисвободным графеном открывает возможности по использованию графена на изолирующих подложках в устройствах спинтроники.
Проведены детальные экспериментальные и теоретические исследования электронной структуры ферримагнитного графенана подложке Au/Co/W(110). Было выявлено, что для полуинтеркалированного графена характерна суперпозиция карт интенсивности от доменов Gr/Co и Gr/Au/Co (мини-конус Дирака и конус Дирака, характерный для квазисвободного графена). Проведённый расчет методом теории функционала плотности зон со спиновой поляризацией в окрестностях противоположных К и K’ точек зоны Бриллюэна, объясняющий наличие запрещённой зоны и асимметричного спинового расщепления в экспериментальных данных.
В результате исследований графена на Re(0001), было выявлено, что интеркаляция Bi приводит к тому, что графен переходит из сильно связанного состояния в квазисвободное состояние с линейным характером дисперсии. Было обнаружено, что положение точки Дирака отличается в зависимости от конфигурации интеркалированных атомов Bi, а также при окислении. Таким образом, посредством интеркалирования атомов Bi и/или O под графен на Re(0001) можно управлять носителями заряда графена.
В рамках работ по проекту проведены детальные исследования динамики носителей на Te-терминированной поверхности BiTeI. Было выявлено сложное взаимодействие динамики поверхности и объема после фотовозбуждения. Полученные результаты показывают, что квазиупругое и неупругое рассеяние очень эффективно перераспределяют носители по расщепленным электронным состояниям. Было показано, что рассеяние импульса и эмиссия плазмонов приводят к быстрому перераспределению носителей, уменьшая возможную оптически индуцированную спиновую поляризацию. Формируемые сверхбыстрые процессы рассеяния эффективно перераспределяют возбужденные носители в импульсном и энергетическом пространстве и тем самым подавляют спин-поляризованные фототоки. Таким образом, рассеяние носителей на оптических фононах и дефектах должно быть уменьшено, чтобы гарантировать потенциал материалов Рашбы в опто-спинтронных приложениях.

основные результаты по этапу (кратко)

Проведено детальное изучение особенностей электронной и спиновой структуры антиферромагнитного топологического изолятора MnBi2Te4 и анализ величины энергетической щели в точке Дирака. В рамках работы по проекту методом фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением была детально исследована серия образцов MnBi2Te4, изготовленных различными технологиями, и детально исследованы особенности их электронной структуры и вариации величины энергетической щели, открываемой в точке Дирака. Экспериментально было выявлено, что величина энергетической щели для различных образцов может изменяться в диапазоне между 15 и 65 мэВ. Кроме того, результаты проведенных исследований показывают, что зависимость спектров от температуры как для большой, так и малой щели имеет одинаковый характер при изменении температуры от 10 до 35 К. Энергетическая щель остается открытой и выше температуры Нееля (TN), практически не изменяя своего размера при увеличении температуры.
Представлена попытка объяснения наблюдаемых эффектов за счет вариации внешнего электрического поля для магнито-упорядоченных (MnBi2Te4). В результате исследований было показано, что величина энергетической щели, открываемой в точке Дирака, может сильно варьироваться исходя из величины и знака заряда на поверхности, от максимально возможной величины (вплоть до 80-90 мэВ) и вплоть до минимальной величины, близкой к нулевому значению. Расчеты показывают, что нескомпенсированный поверхностный заряд, может возникать из-за наличия структурных дефектов на поверхности MnBi2Te4, что может способствовать существенному уменьшению величины щели в точке Дирака, наблюдаемой в некоторых образцах. С практической точки зрения это может быть использовано для настройки величины щели, открываемой в точке Дирака, и может позволить переключать состояние квантового аномального эффекта Холла (включение/выключение) или аксионного изолятора в тонких слоях MnBi2Te4 при приложении электрического поля.
Проведенные ФЭСУР исследования ТИ MnBi2Te4(Bi2Te3)m показали, что в случае терминации поверхности магнитным семислойником MnBi2Te4 электронная структура ТПС для различных ТИ (MnBi2Te4)(Bi2Te3)m приблизительно похожи. Но при этом имеют место значительные отличия в структуре состояний зоны проводимости, характерной для объемного монокристалла MnBi2Te4, обусловленые гибридизацией состояний Дираковского конуса в верхнем семислойнике MnBi2Te4 с объемными состояниями из нижележащего пятислойника Bi2Te3.
В рамках работ по проекту проведены исследования изменений электронной структуры систем MnSb(2-x)BixTe4 с вариацией уровня допирования атомами Sb и показан соответствующий сдвиг положения точки Дирака в сторону уровня Ферми при росте концентрации Sb. Показано, что наиболее оптимальным для применения в спинтронике является стехиометрический состав, соответствующий уровню допирования атомами Sb 30%. В этом случае точка Дирака и соответствующая энергетическая щель, открываемая в точке Дирака, находятся на уровне Ферми.
Проведено исследование возможности модуляции электронной структуры топологических состояний и величины щели в точке Дирака для магнитно-легированных топологических изоляторов атомами магнитных переходных металлов. В результате проведенных работ было показано, что атомы Co связываются с поверхностными атомами подложки, при этом меняется положение точки Дирака.
В рамках проекта были сделаны попытки поверхностного легирования ТИ BiSbTeSe2 атомами Co и Mn. Было показано, что при покрытии поверхности в диапазоне от 0.6 до 3 атомов Co на ячейку BiSbTeSe2 при температуре образца 300-330 C во время напыления, происходит образование ферромагнитной поверхности верхнего пятислойного. В результате в структуре поверхностных топологических состояний наблюдается появление запрещенной зоны в точке Дирака величиной до 21 мэВ. Способ поверхностного легирования ТИ может оказаться наиболее перспективным для создания магнитных ТИ, так как не нарушается объемная структура материла и при этом магнитный слой может эффективно взаимодействовать с топологическими поверхностными состояниями, приводя к открытию запрещенной зоны в точке Дирака.
Проведены исследования электронной структуры и анализ поверхностной кристаллической структуры системы с квазисвободным графеном, сформированным на поверхности монокристалла SiC, и получена информация о структуре после интеркаляции Co. Было показано, что синтез буферного слоя графена и интеркаляция Со приводят к формированию слоистой структуры поверхности с кластерами треугольной формы размером около 5–10 нм. Данная структура поверхности связана с образованием тонких слоев CoSi/CoSi2. Методом ФЭСУР была исследована модификация электронной структуры графена после интеркаляции кобальта. Было показано, что в электронной структуре в области точки К зоны Бриллюэна наблюдается конус Дирака π электронных состояний, характерный для квазисвободного графена. Было продемонстрировано, что в результате интеркаляции кобальта между квазисвободным графеном и подложкой SiC образуется ультратонкая силицидная структура CoSi/CoSi2. Наличие наноразмерного слоя CoSi под квазисвободным графеном открывает возможности по использованию графена на изолирующих подложках в устройствах спинтроники.
Проведены детальные экспериментальные и теоретические исследования электронной структуры ферримагнитного графена. В рамках проекта был синтезирован n-допированный графен на подложке Au/Co/W(110) с точкой Дирака ниже уровня Ферми и исследованы особенности его электронной структуры. Было выявлено, что для полуинтеркалированного графена характерна суперпозиция карт интенсивности от доменов Gr/Co и Gr/Au/Co (мини-конус Дирака и конус Дирака, характерный для квазисвободного графена). Было показано, что увеличение количества золота под графеном приводит к изменению n- допирования графена со сдвигом энергии точки Дирака ближе к уровню Ферми. Проведённый расчет методом теории функционала плотности зон со спиновой поляризацией в окрестностях противоположных К и K’ точек зоны Бриллюэна, объясняющий наличие запрещённой зоны и асимметричного спинового расщепления в экспериментальных данных.
Проведен анализ модификации конуса Дирака графена на Re(0001) при интеркаляции атомов Bi и O. В результате исследований, было выявлено, что интеркаляция висмута приводит к тому, что графен переходит из сильно связанного состояния в квазисвободное состояние с линейным характером дисперсии, а также к сдвигу π-состояний графена в сторону больших энергий связи примерно на 0,4 эВ. Было обнаружено, что положение точки Дирака отличается в зависимости от конфигурации интеркалированных атомов Bi, а также при окислении. Таким образом, посредством интеркалирования атомов Bi и/или O под графен на Re(0001) можно управлять носителями заряда графена (p-типа и n-типа), а также созданием запрещенной зоны точки Дирака.
В рамках работ по проекту проведены детальные исследования динамики носителей на Te-терминированной поверхности BiTeI. Было выявлено сложное взаимодействие динамики поверхности и объема после фотовозбуждения. Полученные результаты показывают, что квазиупругое и неупругое рассеяние очень эффективно перераспределяют носители по расщепленным электронным состояниям. Было показано, что рассеяние импульса и эмиссия плазмонов приводят к быстрому перераспределению носителей, уменьшая возможную оптически индуцированную спиновую поляризацию. Формируемые сверхбыстрые процессы рассеяния эффективно перераспределяют возбужденные носители в импульсном и энергетическом пространстве и тем самым подавляют спин-поляризованные фототоки. Таким образом, рассеяние носителей на оптических фононах и дефектах должно быть уменьшено, чтобы гарантировать потенциал материалов Рашбы в опто-спинтронных приложениях.

описание вклада в работу каждого из участников (учётная форма ЦИТиС)

Шикин Александр Михайлович - Организация основной деятельности по проекту, курирование научных направлений, планирование экспериментальных исследований. Исследование электронной и спиновой структуры Дираковского конуса электронных состояний в системах на основе магнитно-допированных и магнитно-упорядоченных топологических изоляторов и графена. Изучение возможностей реализации поверхностного магнитоэлектрического эффекта для магнитного топологического изолятора MnBi2Te4. Исследование влияния легирования атомами магнитных переходных и редкоземельных металлов различной концентрации на электронную и спиновую структуры 2D Рашба систем на основе BiTeI.

Рыбкина Анна Алексеевна - исследование графена на поверхности карбида кремния при интеркаляции атомов магнитных и тяжелых металлов. Обработка и анализ полученных экспериментальных результатов по интеркаляции кобальта под графен. Обработка экспериментальных данных по исследованию магнитно-допированных систем с сильным спин-орбитальным взаимодействием Рашбы и изменению величины энергетической щели, открываемой в точке Крамерса, при вариации концентрации легирующих примесей.

Климовских Илья Игоревич - сравнительное исследование особенностей электронной, спиновой структуры и магнитных свойств магнитно-упорядоченных топологических изоляторов со стехиометриями MnBi2Te4 и MnSb2Te4, а также MnSb(2-x)BixTe4 с промежуточным положением точки Дирака относительно уровня Ферми. Исследование электронной и спиновой структуры графен-содержащих систем при интеркаляции под графен атомов тяжелых (Au) и магнитных (Co, Mn) металлов.

Естюнин Дмитрий Алексеевич - проведение экспериментов и обработка результатов по изучению электронной структуры и магнитных свойств магнитно-допированных и упорядоченных магнитных топологических изоляторов в зависимости от их стехиометрии. Экспериментальное и теоретическое исследование электронной и спиновой структуры систем типа Рашбы, допированных магнитными металлами.

передача полной копии отчёта третьим лицам для некоммерческого использования: разрешается/не разрешается (учётная форма ЦИТиС)

не разрешается

проверка отчёта на неправомерные заимствования во внешних источниках: разрешается/не разрешается (учётная форма ЦИТиС)

разрешается
АкронимRSF_RG_2018 - 4
СтатусЗавершено
Действительная дата начала/окончания30/04/2131/12/21

Ключевые слова

  • Магнитно-упорядоченные топологические изоляторы
  • графен
  • магнитные переходные и редкоземельные металлы
  • электронная и спиновая структура
  • фотоэлектронная спектроскопия

Fingerprint

Просмотреть темы исследований, затронутые в этом проекте. Эти метки созданы на базе основных наград/грантов. Вместе они формируют уникальную картину активности.