Исследование электронной и спиновой структуры Дираковских материалов и двумерных систем с большим спин-орбитальным взаимодействием(промежуточный, этап 1)

Объектами исследования являются новые квантовые материалы – топологические изоляторы, графен, системы типа Рашбы, монослои дисульфида переходных металлов, а также их взаимодействие с магнитными материалами с целью их дальнейшего применения в спинтронике, наноэлектронике и квантовых вычислениях. Целью выполнения работы является изучение новых квантовых материалов на основе топологических изоляторов и графена с заданными электронными и спиновыми характеристиками для реализации прототипов устройств спинтроники и квантовых вычислений на их основе. В ходе выполнения НИР получены следующие важнейшие научные результаты: Проведено комплексное исследование электронной и спиновой структуры, магнитных свойств магнитных топологических изоляторов (ТИ) стехиометрического (MnBi2Te4) и нестехиометрического (TlBi0.9Gd0.1Se2), а также изменения электронной и спиновой структуры при взаимодействии ТИ с магнитными металлами (BiSbTeSe2+Co) и гетероструктур на их основе. Показано, что при взаимодействии топологического изолятора BiSbTeSe2 с атомами магнитного металла (Co, Mn) при температуре 330С формируется магнитная фаза, характеризующаяся открытием энергетической щели в точке Дирака величиной 20 и 35 мэВ, соответственно), увеличивающейся с ростом концентрации атомов магнитного металла. Исследование магнитных свойств показали, что атомы магнитных металлов встраиваются в решетку ТИ, замещая Bi и Sb. Для магнитно-упорядоченного ТИ MnBi2Te4 выявлена возможность модуляции величины щели в точке Дирака в диапазонах энергий 63-68, 52-55, 28-33 и 15-21 мэВ, обусловленная проявлением внутреннего магнитоэлектрического (МЭ) эффекта. Реализация МЭ эффекта обусловлена градиентом поверхностного потенциала, различном на различных участках поверхности, что и приводит модуляции щели в точке Дирака. Для ТИ TlBi0.9Gd0.1Se2 выявлено экспериментальное различие в величине щели, измеряемой с использованием синхротронного и лазерного излучений, что обусловлено различием в асимметрии рассеяния при формировании фотоэлектронных спектров. Проведено комплексное исследование особенностей синтеза и анализ особенностей электронной и спиновой структуры монослоя дисульфида молибдена при формировании контактов с ферримагнитными подложками. Обнаружено, что при формировании MoS2 монослоя эффективное удаление полимерных остатков наблюдается при температурах до 200 °C. При этом отжиг при температурах выше 350°C приводит уже к деградации MoS2 монослоя, Полученные результаты позволют оптимизировать детали технологического цикла при использовании монослоя MoS2 в устройствах оптоэлектроники, наноэлектроники и спинтроники. Проведены детальные исследования методом фотоэлектронной дифракции валентности и магнетизма интерметаллидов редкоземельных металлов типа EuIr2Si2, Проведен послойный анализ магнитных и электронных свойств системы и модуляции валентности магнитных атомов при различных температурах. Изучены возможности и методы функционализации графена, позволяющие придать графену новые необходимые функциональные свойства. Проведены детальные исследования модификации электронной структуры квазисвободного графена при адсорбции и интеркаляции атомов Mn. Выявлены условия формирования эпитаксиального монослойного графена на подложке SiC и последующей интеркаляции атомов Mn пол графен. Показано. При этом буферный слой остается связанным с подложкой, и в результате интеркаляции не происходит его превращения в дополнительный слой графена, Начаты комплексные исследования электронной и спиновой структуры хорошо упорядоченного «магнитно-спин-орбитального графена, синтезированного на монокристаллической ферромагнитной подложке кобальта с интеркалированным под графен слоем атомов золота. Проведены детальные исследования графеновых нанолент моноатомной толщины. Синтезированы и теоретически смоделированы массивы нанолент, состоящих из хорошо ориентированных гетеропереходов между квазиметаллическими и полупроводниковыми графеновыми нанолентами. Проведены расчеты электронной структуры валентной зоны чистых нанолент, а также с адсорбированным на их поверхность литием в различных концентрациях. Продемонстрирована возможность создания на основе графеновых нанолент датчика, чувствительного к адсорбтам за счет модуляции туннельного тока.