Тип публикации: отчёт о НИР
Год издания: 2016
Ключевые слова: Компьютерное моделирование наноматериалов, наноспинтроника, спиновая нанокалоритроника, спин-фотовольтаика
Аннотация: Атомная и электронная структура и механизмы индуцированной спиновой поляризации ключевых низкоразменрых вертикальных гетероструктур на основе графена и его фрагментов, а так-же h-BN и его производных, были теоретически исследованы с использованием метода функционала плотности с учетом сильных электронных корреляций и эмпирических пПоказать полностьюоправок Гримма для учета дисперсионных взаимодействий. В качестве спиновых инжекторов выбирались низкоразмерные фрагменты полуметаллического полупрозрачного манганата La0.7Sr0.3MnO3 (LSMO) с псевдокубической решеткой типа перовскит и различными типами терминирования поверхностного (001) слоя. В ряде случаев, в рамках международного сотрудничества с японскими коллегами, проводились совместные экспериментальные и теоретические исследования низкоразмерных вертикальных гетероструктур, предназначенных для разработки структурных элементов спинтронных, спинкалоритронных и спинфотовольтаических наноустройств на основе графена, h-BN, LSMO и некоторых ферромагнитных металлов, таких как никель и железо. По результатам исследований в 2016 году опубликовано 5 статей, 2 статьи приняты в печать (имеются соответствующие письма из редакций), еще одна статья отправлена в печать. Также было сделано 9 докладов на международных конференциях. В 2016 году было исследовано:1. Гетероструктуры графена и h-BN на LSMO различных типовПроведено совместное теоретическое и экспериментальное исследование атомной и электронной структуры 2D вертикальных гетероструктур графен/LSMO(001). Для расчета электронной структуры и спиновых состояний была выбрана (6×4) суперячейка LSMO с (001) поверхностью, терминированной слоем SrO. Основываясь на экспериментальных данных был разработан новый класс моделей интерфейса, в которых до 24 ионов кислорода помещались в пространство между слоем SrO и графеном. На основе хорошего соответствия теоретических результатов экспериментальным SPMDS данным по спиновой поляризации графена, для систематических теоретических исследований была выбрана модель интерфейса графен/LSMO(001) в котором в область интерфейса вводились три иона кислорода на суперячейку, что приводило к положительной спиновой поляризации графена вблизи уровня Ферми, линейно возрастающей при приближении к EF. В такой вертикальной гетероструктуре графен демонстрирует p-тип допирования с сохранением основных особенностей зонной структуры, таких, как конус Дирака. Экспериментально наблюдаемый в спектрах SPMDS пик положительной спиновой поляризации в области E – EF = -1.7 eV был отнесен к осциллирующему поведению теоретической спиновой поляризации, которая сильно зависит от концентрации ионов кислорода в области интерфейса графен/LSMO(001). Было показано, что теоретическая спиновая поляризация LSMO фрагмента хорошо совпадает со спиновой поляризацией поверхности LSMO, выявленной экспериментальным методом SPMDS, с двумя пиками, соответствующими Mn 3d-состояний симметрии eg и t2g. Спиновая поляризация LSMO фрагмента, в основном локализованная на слоях MnO, приводит к спиновой поляризации однослойного графена через ионы кислорода на поверхности SrO. Кислород интерфейса смещает электронную плотность графена по направлению к LSMO, что приводит к существенным вариациям энергии точки Дирака от 1 до -2 эВ и приводит к экспериментально наблюдаемому р-типу допирования. Отсутствие электронной плотности, локализованной в области интерфейса, прямо свидетельствует об отсутствии химических взаимодействий фрагментов и электростатической природе связывания графена и LSMO за счет взаимодействия -орбиталей графена с 2pz-состояниями кислорода на поверхности LSMO.Было показано, что сильная индуцированная спиновая поляризация графена возникает за счет непрямого обменного взаимодействия между графеном и подложкой LSMO в условиях сильных электростатических взаимодействий между фрагментами и, в свою очередь, взаимодействие с графеном приводит к усилению локальной спиновой поляризации LSMO подложки.Полученные результаты прямо свидетельствуют, что на основе вертикальных гетероструктур графен/LSMO возможно создание высокоэффективных устройств для спиновых технологий с высокими показателями спиновой инжекции в графен с минимизацией несовпадения проводимости и разрушения спиновых транспортных свойств графена в интерфейсах. Данное исследование открывает перспективы создания высокоэффективных спинтронных устройств на основе вертикальных гетероструктур графен/манганиты переходных и редкоземельных элементов.Расчеты вертикальных гетероструктур (молекула пентацена)/LSMO(001) позволили исследовать фундаментальные аспекты механизмов спиновой поляризации пи-сопряженных углеродных структур с LSMO. Так, было показано, что формирование гетероструктуры приводит к сложному перераспределению электронного заряда в области интерфейса, молекулы пентацена и фрагмента LSMO со сдвигом электронной плотности с ближайших к пентацену слоев SrO и MnO в сторону пентацена с небольшим (0.06 заряда электрона) переносом на молекулу пентацена. Этот эффект был интерпретирован как проявление эффекта Бычкова-Рашбы за счет снятия спинового вырождения электронных состояний, локализованных на интерфейсе из-за отсутствия структурной инверсионной симметрии, которая разрушается при образовании интерфейсов. Сравнительный анализ симметрии локализованных молекулярных орбиталей (HOMO, HOMO-1 и LUMO) свободного пентацена и спин-вверх и спин-вниз квазимолекулярных HOMO и LUMO состояний пентаценового фрагмента гетероструктуры пентацен/LSMO(001) прямо показывает, что спин-вверх и спин-вниз HOMO и LUMO состояния сохраняют свою молекулярную симметрию. Непрямые обменные взаимодействия спин-вниз квазимолекулярных состояний пентацена с O2pz состояниями ионов кислорода, принадлежащих октаэдрам MnO6 приповерхностного слоя, приводят к глубокому сдвигу этих орбиталей вниз по шкале энергии, что, в свою очередь, приводит к тому, что квазимолекулярная LUMO орбиталь становится всего лишь на 0.2 eV выше по энергии HOMO уровня со спином вверх с небольшим (десятые доли электронного заряда) переносом электронного заряда с пентацена в область интерфейса Бычкова-Рашбы. Этот эффект, в свою очередь, приводит к сильной вертикальной спиновой поляризации молекулы. Расчеты электронной структуры гетероструктур LSMO с углеродными нанотрубами показали, что механические деформации, возникающие за счет несовпадения кристаллических решеток фрагментов, приводят к существенным изменениям в электронной структуре нанотруб, например, к появлению узких запрещенных щелей и сдвигов уровня Ферми у металлических нанотруб. В совместном экспериментальном и теоретическом исследовании были изучены атомная и электронная структура и механизмы спиновой поляризации вертикальной гетероструктуры h-BNH/Ni(111), синтезированной за счет гидрирования h-BN слоя гетероструктуры h-BN/Ni(111). Расчеты электронной структуры показали, что атом азота h-BN фрагмента координируется к атому Ni поверхности (111) в положении top, а атом бора, который координируется к Ni(111) в положении fcc, присоединяет к себе атом водорода, с образованием ковалентной связи B-H, при этом top:N/fcc:BH конфигурация интерфейса является энергетически выгодной, а гидрирование приводит к вертикальному разнесению подрешеток бора и азота на 0.32 Å. Структурные изменения h-BN подрешетки, существенный перенос заряда (-0.279e на элементарную ячейку) и спиновая поляризация h-BNH слоя были интерпретированы как следствие проявления sp3 природы химической связи в h-BNH.2. Дихалькогениды ванадия (VS2,VSe2), комбинированные с однослойным графеномРасчеты электронной структуры дихалькогенидов ванадия VS2 и VSe2 и вертикальных гетероструктур с графеном на их основе показали, что сильные электронные корреляции определяют относительную энергетическую стабильность 1Т (глобальный минимум) и 2Н фаз VS2 и VSe2. Было показано, что в гетероструктурах графен/VS2, графен/VSe2, графен/Mo/VS2, графен/Mo/VSe2, графен/VS2,/графен и графен/VSe2,/графен слабые ван-дер-ваальсовы взаимодействия определяют характер связывания фрагментов, а графен сохраняет основные особенности своей зонной структуры, в частности, конус Дирака, становясь при этом спин-поляризованным. Для обеих типов гетероструктур (графен/VS2 и графен/VSe2) зарядовый перенос с графена приводит к p-допированию графена с зависимостью величины зарядового переноса от угла разворота графеновой решетки. В области энергий от -0.1 и до 0.8 eV дираковские конусы графена в композитах графен/VХ2 перекрываются со спин-вверх зонами ванадия. Формирование гетероструктур приводит к заметному (0.25 – 0.62 eV) сдвигу спин-вверх зон графена и трансформации магнитных полупроводниковых фаз 1T-VS2, 2H-VSe2 и 2H-VS2 в магнитные металлы с высокой степенью спиновой поляризации за счет взаимодействия с графеном.3. Электронная структура и индуцированные спиновые состояния монослоев галогенидов переходных металлов на силицидах переходных металловСпиновая поляризация монослоя CoI2 в интерфейсе по сравнению со свободновисящим иодидом кобальта увеличивается с 56% до 88% для [Co-2Fe:Ii-1Fe:Is-Si] и 82% для [Co-Si:Ii-1Fe:Is-2Fe] конфигураций под воздействием пластины заканчивающейся атомным слоем железа, что позволяет получить значение TMR равное 200%, что сопоставимо с TMR таких композитов как Co2FeAl/MgO/CoFe (~300%).