КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 22-12-00174

НазваниеПерспективные низкоразмерные многокомпонентные наноструктуры: формирование, структура и свойства

РуководительЗотов Андрей Вадимович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения Российской академии наук, Приморский край

Период выполнения при поддержке РНФ 2022 г. - 2024 г. 

Конкурс№68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-204 - Нано- и микроструктуры

Ключевые слованизкоразмерные наноструктуры, электронная структура, поверхностные состояния, сканирующая туннельная микроскопия/спектроскопия, фотоэлектронная спектроскопия, транспортные и магнитотранспортные измерения

Код ГРНТИ29.19.22


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
В настоящее время низкоразмерные системы привлекают значительное внимание исследователей во всем мире, как со стороны фундаментальной науки в качестве объектов, где могут быть реализованы нетривиальные физические явления и эффекты, так и с точки зрения перспектив их применения для решения задач в самых современных направлениях электроники, таких как спинтроника и наноэлектроника. Развитие нанотехнологий последних лет позволяет управляемо синтезировать самые сложные нанообъекты. Синтез и исследование свойств низкоразмерных систем на основе многокомпонентных наноструктур является перспективным направлением современных физики конденсированного состояния, материаловедения и нанотехнологии. В настоящем проекте предполагается использовать хорошо известный метод молекулярно-лучевой эпитаксии, в котором осаждение пленок адсорбатов на предварительно подготовленные атомарно-чистые поверхности подложек проводится в условиях сверхвысокого вакуума из атомных или молекулярных пучков. Для формирования многокомпонентных низкоразмерных наноструктур предполагается использовать один из следующих подходов. (1) Модификация свойств известной наноструктуры (например, поверхностной реконструкции металл-кремний) путем добавления к ней определенного количества инородной примеси. Базовое атомное строение исходной наноструктуры при этом сохраняется практически неизменным. В этом случае модификация свойств наноструктуры (в частности электронных и транспортных) происходит, например, за счет легирования, смещения уровня Ферми, появления дополнительных центров рассеяния электронов проводимости (в частности, с переворотом спина, если примесь магнитная). (2) Рост тонких пленок на модифицированных поверхностях кремния. В этом подходе предполагается сначала модифицировать структуру и свойства атомарно-чистой поверхности кремния или какой-либо реконструкции, а затем использовать полученную поверхность в качестве подложки для последующего наращивания на ней пленок и формирования наноструктур. Модификация поверхности подложки во многих случаях приводит к изменению механизма роста пленок, а, следовательно, и их морфологии, а часто оказывает и ориентирующее действие на их структуру. (3) Формирование низкоразмерных химических соединений. Наш опыт показывает, что это, пожалуй, самое продуктивное направление. В этом подходе за счет химического взаимодействия между атомами разного сорта, а также их взаимодействия с атомами подложки образуются соединения пониженной размерности, как правило, не имеющие аналогов среди объемных фаз этих материалов. Путем подбора соответствующих компонентов удается получить разнообразные соединения, в том числе и с ярко выраженными перспективными свойствами. Комплексное исследованием структурных, электронных и транспортных свойств синтезированных наноструктур с помощью современных экспериментальных и теоретических методов обеспечит получение надежных и всесторонних данных. В результате выполнения проекта будут синтезированы новые низкоразмерные материалы с перспективными свойствами, такими, например, как гигантское спиновое расщепление зон поверхностных состояний, необычная спиновая текстура, сверхпроводимость, нетривиальная топология зон электронных состояний. Благодаря таким свойствам, полученные наноструктуры имеют перспективы применения в наноэлектронике и спинтронике.

Ожидаемые результаты
В результате выполнения исследований, запланированных в проекте, на основе многокомпонентных и многослойных наноструктур будут синтезированы разнообразные наноматериалы и всесторонне исследованы их структура и свойства. Особое внимание будет уделено наноструктурам с уникальными электронными и транспортными свойствами такими, например, как гигантское спиновое расщепление зон поверхностных состояний, необычная спиновая текстура, сверхпроводимость, нетривиальная топология зон электронных состояний, квази-одномерная атомная и электронная структура. Это должно послужить существенным вкладом в развитие нанотехнологий, современного материаловедения и физики конденсированного состояния. Технологическая значимость заключается в создании новых низкоразмерных много-компонентных наноструктур, которые благодаря своим уникальным свойствам имеют перспективу использования в наноэлектронике и спинтронике. Учитывая наш предыдущий опыт публикаций в международной печати, можно с уверенностью утверждать, что ожидаемые результаты будут мирового уровня, который соответствует публикациям в ведущих международных журналах, входящих в первую квартиль (Q1) в соответствующих областях знаний, относящихся к науке о материалах, физики и химии конденсированного состояния и т.д.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Были проведены исследования по всем трем направлениям, заявленным на этап 2022 года, и по всем из них получены результаты мирового уровня, что нашло отражение в трех публикациях с рейтингом Q1. В частности, в рамках первого направления, посвященного квази-одномерным системам, была исследована слоистая система, образованная атомными слоями Pb и Au на поверхности Si(100). Было установлено, что внедрение атомного слоя Au между пленкой Pb и подложкой Si(100) позволяет формировать пленки Pb одно- и двухатомной толщины. Пленки Pb имеют структуру с двумерными квадратными решетками слоев Pb и одномерными цепочками атомов Pb на поверхности с образованием сверхрешеток Si(100)1×7-(Pb, Au) и Si(100)5×1-(Pb, Au) в случае одно- и двухатомных слоев Pb, соответственно. Их общая черта – квази-одномерный характер зонной структуры. Транспортные измерения in situ при низких температурах показали, что внедрение слоя Au значительно улучшает сверхпроводящие свойства пленок Pb по сравнению с пленками Pb, выращенных на Si(100) без прослойки Au. Полученные результаты открывают новые возможности управления двумерной сверхпроводимостью в пленках предельно малой толщины атомного масштаба. В рамках второго направления с помощью четырех-зондового метода были проведены низко-температурные in situ измерения проводимости пленки Bi(111) толщиной 6,24 нм при осаждении на нее атомов Cs в диапазоне покрытий от 0,011 до 0,166 МС. Было установлено, что за счет передачи электронов от адсорбированных атомов Cs пленке Bi(111) происходит смещение уровня Ферми системы вверх по шкале энергии. Из-за особенностей строения зонной структуры Bi(111) плотность электронных состояний на уровне Ферми, которая прямо связана с концентрацией носителей, меняется при этом немонотонным образом. Аналогичным образом меняется и проводимость, а именно уменьшается практически вдвое при осаждении 0,011 монослоя (МС) Cs, восстанавливается к исходному значению при осаждении 0,025 МС Cs и постепенно возрастает при дальнейшем осаждении Cs. Полученный результат показывает, что легирование атомами Cs является эффективным инструментом управления электронными и транспортными свойствами пленок Bi(111). В рамках третьего направления были сформированы пленки CePb3 моноатомной толщины на подложке Si(111) и исследованы их структурные, электронные и магнитные свойства. Было установлено, что пленки характеризуются высоким кристаллическим совершенством и имеют структуру решетки кагоме. Особенностью зонной структуры моноатомного слоя CePb3 на Si(111) является гигантское сильно анизотропное спиновое расщепление зон поверхностных электронных состояний Рашбовского типа. Расчеты показали, что слой может демонстрировать ферромагнетизм с небольшим магнитным моментом, ориентированным перпендикулярно поверхности образца. В целом, полученные данные показывают, что система CePb3/Si(111) обладает уникальными электронными свойствами, и в случае дырочного легирования, как это и реализуется в эксперименте, может быть использована в режиме управляемого спинного тока, что делает ее перспективным низкоразмерным материалом для спинтроники.

 

Публикации

1. Бондаренко Л.В., Тупчая А.Ю., Вековшинин Ю.Е., Грузнев Д.В., Котляр В.Г., Утас Т.В., Михалюк А.Н., Матецкий А.В., Денисов Н.В., Зотов А.В., Саранин А.А. Gold interlayer promotes superconductivity in single- and double-atomic Pb layers on Si(100) Journal of Physical Chemistry Letters, Vol.13, P.10479-10485 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.2c03021

2. Денисов Н.В., Матецкий А.В., Зотов А.В., Саранин А.А. Non-monotonic changes in conductance of Bi(111) films induced by Cs adsorption Applied Physics Letters, Vol.121, P. 043101-5 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1063/5.0099617

3. Михалюк А.Н., Грузнев Д.В., Бондаренко Л.В., Тупчая А.Ю., Вековшинин Ю.Е., Еремеев С.В., Зотов А.В., Саранин А.А. 2D heavy fermion CePb3 kagome material on silicon: Emergence of unique spin polarized states for spintronics Nanoscale, Vol.14, P.14732-14377 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1039/d2nr04280k


Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Были проведены исследования по всем направлениям, заявленным на этап 2023 года, и по всем из них получены результаты мирового уровня, что нашло отражение в публикациях с рейтингом Q1 и Q2. В частности, в рамках направления, посвященного исследованию многокомпонентных систем, имеющих квази-одномерную структуру и свойства, были выполнены две работы. В первой работе было исследовано влияние адсорбированных атомов хрома на структурный переход в квази-одномерной реконструкции In/Si(111)4×1. Эта реконструкция представляет собой массив нанопроволок, образованный атомными цепочками индия. При охлаждении до температур ниже ~130 К система претерпевает структурный переход, который сопровождается удвоением периода в направлении вдоль атомных цепочек. Как было известно из литературных данных, адсорбированные атомы могут влиять на температуру перехода. Например, атомы таких элементов, как Na, Pb, In, Ag и H, смещают температуру перехода в область более низких температур. В настоящей работе в качестве адсорбата был выбран хром (Cr). Было установлено, что в отличие от других металлических элементов, которые занимают на поверхности In/Si(111)4×1 адатомные положения, атомы Cr встраиваются в положения, расположенные ниже уровня атомов In, образующих массив квази-одномерных нанопроволок In. Однако, несмотря на различие в адсорбционном положении, эффекты, производимые Cr, аналогичны таковым, что имеют место в случае других металлических адсорбатов. В частности, адсорбция Cr в диапазоне от 0 до 0,0155 монослоя Cr уменьшает температуру перехода от 122 К до 60 К по закону, близкому к линейному. Вторая работа была посвящена исследованию структурных превращений квази-одномерной реконструкции Au/Si(111)5×2, вызванных адсорбцией атомов таллия (Tl). В настоящее время влияния адсорбатов на структуру и электронные свойства реконструкции Au/Si(111)5×2 привлекает значительное внимание исследователей. Принципиальным отличием нашей работы от предыдущих было то, что после осаждения Tl при комнатной температуре образец нагревали до ~300oC, в результате чего происходил структурный переход от суперструктуры с решеткой 5×2 к суперструктуре с решеткой 4×2. Было установлено, что в результате структурного перехода расстояние между рядами золота уменьшается за счет того, что полоску Si, разделяющую ряды Au и имеющую графеноподобную сотовую структуру, так называемого, силицена, заменяет одиночная зигзагоподобная атомная цепочка Si. Эта структурная модель поверхности (Au, Tl)/Si(111)4×2 подтверждается хорошим совпадением экспериментальных и расчетных СТМ изображений. Исследование электронных свойств фазы (Au, Tl)/Si(111)4×2 с помощью метода фотоэлектронной электронной спектроскопии с угловым разрешением (ФЭСУР) показало, что структурное превращение сопровождается переходом «металл-изолятор». Второе направление было посвящено исследованию возможности управления структурными и электронными свойствами таких уникальных объектов, как, так называемые, 2D-Xene, то есть моноатомных слоев различных элементов, имеющих сотовую атомную структуру, подобную графену. Были выполнены работы по модификации структуры 2D-Xene за счет адсорбции на них металлических адсорбатов. В частности, для таллена (2D-Xene, образованного атомами Tl), синтезированного на подложке NiSi2/Si(111), в качестве адсорбата использовали атомы Sn, а для модификации плюмбена (2D-Xene, образованного атомами Pb), сформированного на поверхности Si(111), терминированной реконструкцией √3×√3-В Mg и Yb. Во всех случаях модификация приводила к положительным результатам. В частности, внедрение атомного слоя Sn между талленом и подложкой позволило таллену в полной мере проявить присущие ему экзотические свойства. Было показано, что образец Tl/Sn/NiSi2/Si(111) демонстрирует гигантское спиновое расщепление электронных зон поверхностных состояний чуть выше уровня Ферми. Был сделан вывод, что возможность смещения уровня Ферми с помощью легирования слоя Tl путем осаждением дополнительных атомов Tl делает его перспективным материалом для спинтронных приложений. В качестве инициативной поисковой работы в рамках исследования модифицированных пленок Bi на кремнии было изучено формирование двумерного соединения Bi-Ba атомной толщины на поверхности Si(111). Барий (~0,6 монослоя) осаждали на поверхность Bi/Si(111), представляющей собой смесь фаз, имеющих одинаковую решетку √3×√3, но различную концентрацию атомов Bi (0,33 и 1.0 монослоя). Прогрев образца при ~550оС приводил к формированию сплав Bi-Ba с решеткой √7×√7. Расчеты зонной электронной структуры показали, что система (Bi, Ba)/Si(111) имеет металлический характер при том, что исходная система Bi/Si(111) демонстрирует полупроводниковые свойства. Общим свойством обеих систем является значительное спиновое расщепление зон поверхностных электронных состояний, но появление металлических свойств у системы (Bi, Ba)/Si(111) делает ее значительно более перспективной в качестве материала для спинтроники.

 

Публикации

1. Бондаренко Л.В., Тупчая А.Ю., Вековшинин Ю.Е., Грузнев Д.В., Олянич Д.А., Утас Т.В., Михалюк А.Н., Зотов А.В., Саранин А.А. Effect of embedded Cr on the structural phase transition of In/Si(111)4×1 Surface Science, Vol.739, P.122400-6 (год публикации - 2024) https://doi.org/10.1016/j.susc.2023.122400

2. Грузнев Д.В., Бондарено Л.В., Тупчая А.Ю., Яковлев А.А., Михалюк А.Н., Зотов А.В., Саранин А.А. Alteration of the inter-chain distance between Au atomic wires on Si(111) induced by Tl adsorption Surface Science, Vol. 740, P.122416-6 (год публикации - 2024) https://doi.org/10.1016/j.susc.2023.122416

3. Михалюк А.Н., Бондаренко Л.В., Тупчая А.Ю., Вековшинин Ю.Е., Утас Т.В., Грузнев Д.В., Чоу Д.Р., Еремеев С.В., Зотов А.В., Саранин А.А. Large-scale thallene film with emergent spin-polarized states mediated by tin intercalation for spintronics applications. Materials Today Advances, Vol.18, P.100372-7 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.mtadv.2023.100372

4. Михалюк А.Н., Вековшинин Ю.Е., Тупчая А.Ю., Бондаренко Л.В., Грузнев Д.В., Еремеев С.В., Зотов А.В., Саранин А.А. Promoting spin-polarized states in Bi/Si(111) interface mediated by Ba intercalation for advanced spintronics applications Scripta Materialia, Vol.239, P.115807-6 (год публикации - 2024) https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2023.115807