Аннотация результатов, полученных в 2018 году
- Проведены комплексные исследования электронной и спиновой структуры Дираковского конуса электронных состояний для магнитно-допированных и магнитно-упорядоченных топологических изоляторов варьируемой стехиометрии типа MeBi{2-x}Sb{x}Te{4-y}Se{y} и MeBi{4-x}Sb{x}Te{7-y}Se{y} с введенными атомами магнитных переходных (Mn,V,Cr) и редкоземельных металлов (Gd,Dy,Pr) и проведено детальное сравнение данных систем, включая особенности электронной структуры и их магнитно-транспортные характеристики (для систем на основе Gd и V), в зависимости от концентрации магнитных металлов различной природы. В результате исследований найдены оптимальные соотношения концентраций Sb,Se,Te, приводящие к локализации уровня Ферми непосредственно в запрещенной зоне, открываемой в точке Дирака для различных концентраций магнитных металлов и их природы, что необходимо для возможности реализации квантового аномального эффекта Холла при более высоких температурах. Показана магнитная природа открываемой щели в точке Дирака и зависимость ее величины от уровня допирования магнитным металлом. - Проведены сравнительные детальные исследования эффектов индуцированной синхротронным и лазерным излучением намагниченности вдоль и перпендикулярно поверхности при температурах ниже и выше температуры Кюри в зависимости от асимметрии фотовозбуждения противоположных ветвей Дираковских состояний с противоположным импульсом и спиновой ориентацией для серий магнитных топологических изоляторов с магнитным допированием атомами магнитных переходных редкоземельных металлов (V,Gd) с расположением уровня Ферми вблизи и непосредственно в запрещенной зоне, открываемой в точке Дирака. Проведено сравнение с эффектами in-plane намагниченности, индицированной синхротронным излучением, для чистых топологических изоляторов (без магнитных примесей). Проанализирована взаимосвязь между величиной щели, открываемой магнитным взаимодействием в точке Дирака при различных концентрациях магнитного металла, и величиной индуцированной out-of-plane намагниченности. Выявлена и проанализирована взаимосвязь между величиной kII-сдвига спин-поляризованных состояний Дираковского конуса (включая точку Дирака) относительно неспинполяризованных состояний зоны проводимости и величиной индуцированной in-plane намагниченности. Показано, что индуцированная намагниченность генерируется нескомпенсированной спиновой аккумуляцией, возникающей при неэквивалентном возбуждении электронов с противоположной спиновой ориентацией из Дираковского конуса электронных состояний, которая посредством спин-торк эффекта преобразуется в индуцированную намагниченность. Показана возможность изменения величины и знака индуцированной in-plane намагниченности за счет вариации энергии возбуждающих фотонов и изменения знака циркулярной поляризации синхротронного излучения. Проанализирована зависимость индуцированной намагниченности и соотношения между out-of-plane и in-plane компонентами индуцированной намагниченности от угла падения синхротронного и лазерного излучения на образец, а также от типа внедренного магнитного металла. В рамках проведенных исследований проанализированы возможности генерации спиновых токов в исследуемых структурах под воздействием синхротронного и лазерного излучения и манипуляции генерируемыми спиновыми токами за счет изменения энергии фотонов и поляризации возбуждающего излучения. - Впервые в мире синтезирован новый тип магнитно-упорядоченных монокристаллических антиферромагнитных стехиометрических топологических изоляторов типа MnBi2Te4 с планарным расположением магнитных атомов и исследованы особенности его электронной и спиновой структуры и магнитные свойства. Магнитное упорядочение, реализуемое в данных соединениях ниже температуры Нееля (24.2 К), имеет антиферромагнитный характер при взаимодействии между ближайшими планарными слоями атомов магнитного металла. Внутри планарных магнитных слоев в каждом семислойнике в структуре синтезированного магнитного топологического изолятора реализуется ферромагнитный тип взаимодействие. Методами фотоэлектронной спектроскопии с угловым и спиновым разрешением показано формирование аномально большой энергетической щели в точке Дирака (до 80-90 мэВ), которая сохраняет свою величину и при температурах выше температуры Нееля. Исследованы магнитные свойства и магнитно-транспортные характеристики. Методом резонансной фотоэлектронной спектроскопии проанализирована локализация d-состояний магнитного металла (Mn) в области энергетической щели и показано их отсутствие в области точки Дирака, что подтверждает формируемая щели в точке Дирака имеет магнитную природу, а не обусловлено эффектами гибридизации и непересечения электронных состояний между топологическими состояниями и Mn d состояниями. Исследования спиновой структуры показали, что топологические состояния в данном материале характеризуются инверсной спиновой in-plane поляризацией для противоположных ветвей Дираковского конуса, что является индикатором формирования магнитной топологической фазы. Исследования методом магнитного циркулярного дихроизма показали наличие магнитного момента на Mn d состояниях вблизи поверхности при температурах, близких к комнатной температуре. Проанализирована взаимосвязь исследуемых эффектов с аномально-высоким фотовольтаическим эффектом, наблюдаемом в ряде исследованных систем, а также с возможностью реализации квантового аномального эффекта Холла и топологического магнито-электрического эффекта при более высоких температурах. - В рамках проекта детально исследованы эффекты индуцированного спин-орбитального и обменного взаимодействий в графен-содержащих системах при синтезе графена на поверхности монокристаллов магнитных (Co(0001)) и тяжелых (Ir(111), Pt(111)) с последующей дозированной упорядоченной интеркаляцией тяжелых металлов с большим спин-орбитальным взаимодействием (Bi, Pb, Au) и магнитных переходных (Co) и редкоземельных (Gd) металлов. Проведенные исследования электронной и спиновой структуры для систем MG/Pb/Ir(111) и MG/Pb/Pt(111) позволили определить величины индуцированного спин-орбитального расщепления состояний графена в данных системах и выделить вклады индуцированного внутреннего (атомного) и внешнего (Рашбавского типа) спин-орбитального взаимодействий. Это, с одной стороны, позволило показать, что в системе MG/Pb/Ir(111) интеркаляция атомов Pb под графен сопровождается большим индуцированным спин-орбитальным расщеплением пи-состояний графена вплоть до 100 и 70 мэВ для состояний верхнего и нижнего конуса Дираковских состояний. Но с другой стороны было выявлено, что в данной системе величина внутреннего спин-орбитального взаимодействия не превышает величины внешнего взаимодействия Рашбовского типа, т.е. условий для топологической фазы не формируется, и энергетической спин-орбитальной щели в точке Дирака не образуется. Что принципиально отличается от системы MG/Pb/Pt(111), где топологическая фаза формируется, и спин-орбитальная щель в точке Дирака открывается. При этом формируется сложная спиновая структура пи-состояний графена в области конуса Дираковских состояний с одновременным вкладом out-of-plane и in-plane спиновых компонент, несмотря на линейность дисперсионных соотношений для пи-состояний графена. Показано, что наличие out-of-plane компоненты связано с гибридизацией состояний графена с интерфейсными состояниями подложки, через монослой атомов Pb. Полученные результаты однозначно подтверждают механизм формирования квази уровней Ландау в графене на Pb/Ir(111) без внешнего магнитного поля, заключающийся в индуцированном спин-орбитальном взаимодействии в графене. Исследования системы MG/Gd/Ir(111) методами фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением и сканирующей туннельной микроскопии позволили выявить уникальную электронную структуру системы с периодически повторяющимися мини-конусами Дирака, периодичность которых определяется периодичностью формируемой сверхструктуры (2х2), образующейся при поверхностном сплавлении атомов Gd и Ir в процессе термической интеркаляции. Это сопровождается закрытием запрещенных зон как в точке Дирака так и мини конусах Дирака, характерных для первоначальной системы MG/Ir(111) и формированием уникальной структуры, для которой предполагается реализация эффектов туннелирования Кляйна в графене.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Проведено комплексное исследование электронной и спиновой структуры Дираковского конуса электронных состояний для магнитно-упорядоченных и магнитно-допированных и топологических изоляторов с введенными атомами магнитных переходных (V, Mn, Cr) и редкоземельных металлов (Gd, Ce) и проведено детальное сравнение электронной и спиновой структуры данных систем, включая их магнитные характеристики. Охарактеризована спиновая структура топологических поверхностных состояний в области точки Дирака и детально проанализировано открытие энергетической щели в точке Дирака в зависимости от стехиометрии, кристаллической структуры, типа внедренных магнитных атомов и их концентрации. Методами фотоэлектронной спектроскопии с угловым и спиновым разрешением и рентгено-электронной спектроскопии внутренних уровней при возбуждении синхротронным и лазерным излучением проведены детальные исследования особенностей электронной и спиновой структуры недавно синтезированного магнитно-упорядоченного топологического изолятора со стехиометрией MnBi2Te4. Выявлено, что формирование аномально большой энергетической щели в точке Дирака (до 80-90 мэВ), которая сохраняет свою величину при переходе температуры через точку перехода из объемной антиферромагнитной в парамагнитную фазу. Температура перехода равна 24.2 К. Показано, что магнитный порядок в данном соединении, имеет антиферромагнитный характер между ближайшими слоями атомов магнитного металла (Mn) в соседних планарных магнитных слоях. Взаимодействие внутри магнитных слоев носит ферромагнитный характер. В результате исследований методами SQUID магнитометрии и магнитного циркулярного дихроизма (XMCD) были экспериментально подтверждены эффекты поверхностного ферро- и анти-ферромагнетизма и квазидвумерного магнетизма в изучаемых магнитных топологических изоляторах. Проведен анализ взаимосвязи электронной структуры конуса Дирака электронных состояний с магнитной структурой на поверхности систем. Детально проанализированы электронная структура и магнитные свойства аналогичных топологических систем семейства (MnBi2Te4+nBi2Te3). Данные материалы характеризуются упорядоченным слоем Mn расположенного непосредственно в структуре топологического изолятора [Te-Bi-Te-Mn-Te-Bi-Te--nBi2Te3]. Это приводит к значительному влиянию магнетизма на электронную структуру таких топологических изоляторов. Так, в случае MnBi2Te4, наличие антиферромагнитного порядка в объеме оказывается необходимым для введения топологического Z2 инварианта. При изменении магнитного порядка электронная структура претерпевает значительные изменения. Наличие нескопенсированного магнитного момента на поверхности антиферромагнитного топологического изолятора MnBi2Te4 приводит к открытию запрещенной зоны в точке точке Дирака до 80 мэВ. В случае MnBi2Te4+nBi2Te3 при n>0 влияние магнетизма на электронную структуру ослабевает с увеличением n. Было выявлено, что для других топологических изоляторов из данного семейства (MnBi2Te4+nBi2Te3) температура магнитного перехода имеет более низкую температуру. Для MnBi4Te7(MnBi2Te4+Bi2Te3) данная температура равна 13 K при сохранении антиферромагнитного упорядочение в объеме. В случае MnBi6Te10 (MnBi2Te4+2Bi2Te3) температура перехода уже равна 10 K, но уже с более слабым антиферромагнитным упорядочением в объеме. В результате на поверхности уже начинает преобладать ферромагнитное упорядочение. При больших (n) температура перехода определяется уже температурой упорядочения в слое Mn и становится близкой к 10 К, как для n=2: MnBi2Te4+2Bi2Te3 (MnBi6Te10). Исследована электронная структура и магнитные свойства нового типа магнитно-допированного антиферромагнитного топологического изолятора со стехиометрией Bi1.09Gd0.06Sb0.85Te3 . Методом фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением показано, что точка Дирака для данного материала располагается вблизи уровня Ферми с формированием энергетической щели в точке Дирака с величиной 25-35 meV (в зависимости поляризации возбуждающего излучения и энергии фотонов). При этом щель в точке Дирака остается открытой выше температуры Нееля, когда дальнодействующий магнитный порядок в системе уже нарушается. Благодаря применению различных поверхностно- и объемо-чувствительных методик разделены вклады магнитной структуры поверхности и объема образцов. Измерения магнитных свойств методом сверхпроводящей магнитометрии (SQUID) показали антиферромагнитное упорядочение с ориентацией магнитного момента по нормали к поверхности с температурой Нееля для перехода между АФМ и ПМ фазой в объеме, равной 8.3K. Измерены магнитные свойства исследуемого магнитного топологического изолятора методом SQUID при температурах от 2 до 300К и показано формирование поверхностной ферромагнитной фазы при температурах между 30 и 100K. Результаты измерений методом поверхностно-чувствительного магнитного циркулярного дихроизма (XMCD) подтверждают наличие поверхностного магнитного момента при температуре 70K. Измеренная температурная зависимость электросопротивления проявляет полупроводниково-подобное поведение до температур 100–130K, что коррелирует с температурной зависимостью поверхностной намагниченности и подтверждает вывод о том, что на уровне Ферми в области формирования магнитной щели в точке Дирака располагаются только топологические поверхностные состояния. Проведен анализ in-plane и out-of-plane компонент спиновой электронной структуры в области энергетической щели в точке Дирака и величины генерируемой щели в зависимости от положения точки Дирака относительно уровня Ферми, типа и концентрации внедренных магнитных атомов. Выявлены эффекты in-plane и out-of-plane намагниченности, индуцированной синхротронным излучением вследствие асимметрии в фотовозбуждении топологических состояний с противоположным импульсом. Индуцированная in-plane намагниченность проявляет себя путем kII-сдвига состояния конуса Дирака относительно точки Г, а индуцированная out-of-plane намагниченность – путем модуляции величины щели, открываемой в точке Дирака. Более детальный анализ величины расщепления между состояниями верхнего и нижнего Дираковского конуса в точке Дирака показал зависимость щели в точке Дирака от типа поляризации синхротронного излучения (28-30 meV для p-поляризации и 22-25 meV для циркулярно-поляризованного излучения противоположной хиральности). В работе предложен механизм открытия щели в точке Дирака выше температуры Нееля вследствие «спаривания» Дираковских фермионов с противоположным импульсом и спиновой ориентацией в результате из взаимодействия со спиновой текстурой, формируемой в топологическом изоляторе непосредственно в процессе фотоэмиссии в области фотоэмиссионной дырки на атоме магнитной примеси (Gd). Т.е щель в точке Дирака, измеряемая выше температуры Нееля, является динамической и формируется непосредственно в процессе фотоэмиссии. При этом природа щели остается магнитной (хотя и не обусловлена наличием дальнодействующего магнитного порядка) и определяется величиной атомного магнитного момента, что и обуславливает практически неизменность величины щели при переходе через температуру Нееля. Проведено детальное изучение особенностей электронной и спиновой структуры графен-содержащих систем при синтезе графена на поверхности монокристаллов тяжелых металлов (Pt(111), Ir(111), Re(0001)) методом каталитической реакции крекинга углеродо-содержащих газов с последующей дозированной и упорядоченной интеркаляцией магнитных редкоземельных (Gd, Dy), переходных (Со) и благородных (Au) металлов методами фотоэлектронной спектроскопии с угловым и спиновым разрешением и рентгено-электронной спектроскопии внутренних уровней. Проведен анализ возможности создания топологической фазы в графене путем индуцирования спин-орбитального и обменного взаимодействий и определены условия открытия нетривиальной запрещенной зоны в графене и формирования уникальных одномерных электронных состояний. Выявлена роль индуцированного внутреннего и внешнего (Рашбавского типа) спин-орбитального взаимодействий. Методами фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением и сканирующей туннельной микроскопии подробно исследована электронная структура и атомная морфология системы графен/Gd/Ir(111). Показано, что интеркаляция атомов Gd под графен приводит к сдвигу конуса Дирака на 1 эВ в сторону увеличения энергии связи. При этом квази-свободный характер дисперсии графена не нарушается. Вместе с основной ветвью конуса Дирака сдвигаются и соответствующие реплики, образованные формированием Муаровой сверхструктуры. Было выявлено, что локальные запрещенные зоны, открывающиеся в местах пересечения реплик и основной ветви, исчезают после интеркаляции атомов Gd, вместе с фундаментальной запрещенной зоной. Их закрытие может быть связано с восстановлением симметрии подрешеток графена, вызванное сильным переносом заряда и/или блокировкой гибридизации графена и 5d состояний Ir подложки. При этом перенос заряда сдвигает конус Дирака и реплики так, что их пересечения попадают на уровень Ферми. Детально исследованы особенности электронной и спиновой структуры графена на поверхности монокристалла Pt(111) и проведена характеризация поверхности графена на атомном масштабе. Показано, что сформированный однодоменный графен характеризуется линейной дисперсией π состояния, поверхность имеет суперструктуру близкую к (√3х√3) R30° относительно подложки Pt(111) или (2x2) относительно графена с картиной муара большей периодичности ~2 нм и наличием точечных дефектов. Проведено детальное исследование атомной и электронной структуры графена на поверхностном сплаве Pt 5 Gd толщиной ~5нм. Исследованы промежуточные стадии формирования сплава: адсорбция атомов Gd c n-допированием графена (со сдвигом точки Дирака ниже уровня Ферми без изменения дисперсионной зависимости π состояния) и температурные прогревы до 600°С, приводящие к интеркаляции гадолиния и корругации графена ~2Å с формированием запрещенной зоны в точке Дирака ~0.3 эВ. Обнаружено, что адсорбция атомов гадолиния на Pt(111) с температурным прогревом до 1080°С приводит к формированию эпитаксиального Pt-терминированного сплава Pt 5 Gd под графеном со структурой 2x2 относительно графена. Несмотря на ван-дер-ваальсовое расстояние между графеном и наличие линейной дисперсии π состояния вплоть до уровня Ферми, наблюдается гибридизация между π состоянием и состояниями сплава локализованными как на верхнем (кагомном) слое платине, так и на втором слое сплава с атомами Pt и Gd (стехиометрия слоя Pt 2 Gd). Методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии остовных уровней с угловым разрешением показано, что сплав имеет толщину не менее 2 нм и терминирован Pt слоем под графеном. В рамках работы проведено сравнение данных, полученных методом ФЭСУР, и DFT-расчета в программном пакете Wien2k элементарной ячейки графена и сплава. Показана энергетическая выгодность теоретической структуры. Исследование электронной и спиновой структуры данной системы показало сохранение гигантского расщепления Рашбы вблизи точки Дирака ~100 мэВ, как и для системы Gr/Pt(111). Исследована модификация электронной и спиновой структуры систем, формируемых путем напыления магнитных (Co, Mn, Gd) и сверхпроводящих (Pb) металлов на поверхность топологических изоляторов различной стехиометрии при различной толщине напыляемых слоев, а также при термическом отжиге сформированных систем при различных температурах. Было выявлено, что при напылении слоев металла (Mn, Co) толщиной до одного монослоя и прогреве образца BiSbTeSe2 до температур около 300°С имеет место открытие энергетической щели в точке Дирака.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Методами фотоэлектронной спектроскопии с угловым и спиновым разрешением, а также магнитного циркулярного дихроизма проведены комплексные экспериментальные исследования природы энергетической щели, открываемой в точке Дирака и ее изменений, а также поверхностных магнитных взаимодействий в недавно синтезированном антиферромагнитном топологическом изоляторе (ТИ) нового типа MnBi2Te4. Исследования электронной и спиновой структуры Дираковского конуса топологических электронных состояний в диапазоне температур от 9 до 35 K показали возможность значительной модификации энергетической щели в точке Дирака для различных образцов. Было выявлено, что величина щели, открываемой в точке Дирака на экспериментально измеренных ARPES дисперсиях, может характеризоваться как аномально большой (60–70 мэВ), так и значительно уменьшенной (<20 мэВ) величиной, которые остаются открытыми выше температуры Нееля (T_N=24.5K). Данный магнитный переход проявлялся в фотоэлектронных спектрах путем непрерывного уменьшения интенсивности поверхностных Дираковских состояний с увеличением температуры до температуры Нееля. Выше температуры Нееля интенсивность поверхностных Дираковских состояний остается практически постоянной. При этом индикатором магнитного перехода при увеличении температуры является уменьшение расщепления Te pz состояний зоны проводимости до нуля выше температуры Нееля. Измеренные дисперсионные зависимости с разрешением по спину для поверхностных топологических состояний демонстрируют хиральную спиновую структуру с инверсией спина для состояний Дираковского конуса с противоположными импульсами. Методами резонанасной фотоэлектронной спектроскопии было показано, что открытие щели в точке Дирака не связано с гибридизационными эффектами взаимодействия между топологическими состояниями и Mn 3d состояниями. Показано, что различие в величинах щелей в точке Дирака может быть связано со структурной модификацией поверхности и соответствующим смещением локализации топологических состояний в область, включающую второй слой Mn. В этом случае противоположные магнитные моменты первого и второго Mn слоев компенсируют друг друга, что приводит к уменьшению величины щели в точке Дирака. Теоретически было показано, что увеличение ван-дер-Ваальсового расстояния на 15,3% может приводить практически к обнулению результирующей величины щели и формированию «безщелевой» дисперсии топологических состояний. Проведены исследования электронной структуры в области точки Дирака для магнитно-допированных ТИ типа Bi1.09Gd0.06Sb0.85Te3 и TlBi0.9Gd0.1Se2 в диапазоне температур 1−35 K (выше и ниже температуры Нееля (T_N=8.3K)) и поляризациях синхротронного излучения. Показано, что для Bi1.09Gd0.06Sb0.85Te3 точка Дирака располагается вблизи уровня Ферми. Путем анализа дисперсий поверхностных топологических состояний методом ARPES выявлена энергетическая щель 25−35 meV, открываемая в точке Дирака, которая остается открытой выше температуры Нееля, когда дальнодействующий магнитный порядок в системе уже нарушается. Исследования температурной зависимости интенсивности состояний конуса Дирака подтвердили наличие магнитного перехода и показали возможность его индикации непосредственно из фотоэмиссионных спектров. В работе предложен механизм открытия щели в точке Дирака выше температуры Нееля вследствие ”спаривания“ Дираковских фермионов с противоположным импульсом и спиновой ориентацией в результате их взаимодействия со спиновой текстурой, формируемой непосредственно в процессе фотоэмиссии в области фотоэмиссионной дырки на атоме магнитной примеси (Gd). Было показано, что щель в точке Дирака, измеряемая выше температуры Нееля является динамической. Подтверждением динамического характера генерируемой щели является зависимость ее величины от поляризации синхротронного излучения. Для ТИ TlBi0.9Gd0.1Se2 С методом моделирования фотоэмиссионных спектров было проанализировано влияние асимметрия рассеяния на размер измеряемой Дираковской щели, обусловленной разницей в фокусировке светового пятна при использовании лазерного и синхротронного излучения, что необходимо учитывать при анализе изменений энергетической щели в точке Дирака. Проведено комплексное изучение электронной и спиновой структуры Дираковского конуса электронных состояний для семейства нового типа магнитных стехиометрических ТИ типа (MnBi2Te4)(Bi2Te3)m для m=0, 1, 2, 4 (MnBi2Te4, MnBi4Te7, MnBi6Te10, MnBi8Te13, MnBi10Te16) и проведено сравнение данных систем, включая их электронную и спиновую структуру и магнитные характеристики. Методами ФЭ спектроскопии с угловым разрешением показано, что данные соединения характеризуются наличием 2х, 3х и более конусов Диракровских конусов, вложенных друг в друга, в ряду данных материалов, что связано с выходом на поверхность различных возможных терминаций. Экспериментальные данные согласуются с расчетами и подтверждают топологический характер поверхностных состояний. При помощи сверхпроводящей магнитометрии охарактеризована магнитная структура данных магнитных ТИ и установлены температуры магнитного перехода и магнитный порядок данных систем. Показано, что в ряду данных соединений сила межслойного обменного взаимодействия, связывающего ферромагнитные слои Mn в соседних блоках, постепенно уменьшается с увеличением m, а его характер меняется от АФМ (m = 0, 1, 2) к ФМ (m = 3), а затем следует переход в чисто двумерный магнитный режим, начиная с m = 4. Экспериментальные данные по магнитной структуре хорошо согласуются с расчетами, демонстрирующими как внутрислоевой ферромагнетизм, так и существенное уменьшение межслоевого обменного взаимодействия с увеличением количества немагнитных блоков. Необычные магнитные свойства делают серию ТИ (MnBi2Te4)(Bi2Te3)m уникальной перестраиваемой платформой для создания различных экзотических состояний вещества, таких как собственный (intrinsic) аксион, диэлектрическая фаза QAHE, индуцированный полем квантовый эффект Холла и хиральный топологический сверхпроводник В рамках работ по проекту проведены детальные исследования систем на основе графена. Синтезированы и систематически исследованы системы, состоящие из графена с интеркалированными атомами магнитных и благородных металлов. Изучены возможности и методы функционализации графена, позволяющие придать графену новые необходимые функциональные свойства с целью эффективного использования в электронных устройствах. Проведены комплексные исследования модификации электронной структуры квазисвободного графена при адсорбции и интеркаляции атомов Mn под графен в системах Gr/Au/Co и Gr/SiC. Проведено детальное исследование электронной и спиновой структуры системы графен/ультратонкий слой Co с внеплоскостной намагниченностью, включая последующую интеркаляцию Au. Проанализировано влияние магнитного поля на спиновую текстуру состояний графена. Проанализирована природа формируемого конуса электронных состояний в Г-точке на предмет реализации топологической фазы в металле. Показана роль петлевых дислокаций системы Au/Co(0001) при формировании поверхностных состояний в Г-точке поверхностной зоны Бриллюэна. Произведен расчет электронной структуры с полной оптимизацией кристаллической структуры системы графен/поверхностный сплав золота. Формирование топологических состояний, локализованных на массиве нульмерных петлевых дислокаций, и создание квазисвободного графена с внеплоскостной намагниченностью может быть использовано в спинтронике для организации бездиссипативного спинового транспорта Синтезированы нанотонкие эпитаксиальные сплавы PtxGd на поверхности монокристалла Pt(111), покрытые хорошо ориентированным графеном, и исследована их электронная и атомная структура на разных этапах синтеза. Данные дифракции медленных электронов , фотоэлектронной спектроскопии и сканирующей туннельной микроскопии показали, что осаждение атомов Gd на систему графен/Pt(111) и их дальнейшая интеркаляция при 1080 °C приводят к формированию нанотонкого сплава Pt5Gd, покрытого квазисвободным графеном. Было показано, что сплав имеет толщину около 3 нм и терминирован Pt слоем под графеном. Согласно СТМ данным, верхний слой сплава имеет “кагомную” структуру, более того наблюдается картина муара между нанотонким сплавом и монокристаллом Pt(111). Расчеты методом функционала плотности показали хорошее совпадение с экспериментом. Исследования показали, что электронная структура графена на сплаве Pt5Gd в отличие от Pt(111) сильнее гибридизована с Pt состояниями d характера, но по-прежнему имеет квазисвободный характер. Электронная структура графена характеризуется p-допированием до энергии связи ~ -0,3 эВ выше уровня Ферми, что, как правило, усиливает каталитическую активность материала вследствие увеличения плотности состояний вблизи уровня Ферми. Благодаря хорошо известной каталитической активности сплава Pt5Gd, синтезированная тонкопленочная система перспективна для производства катализаторов. На основании проведенных исследований и выявленных закономерностей сделаны анализ оптимальных комбинаций для разработки устройств наноэлектроники и спинтроники на основе топологических изоляторов или графена. В рамках работ по проекту разработан прототип устройства на основе графена для записи информации в ячейку магнитной памяти SOT-MRAM (магниторезистивная оперативная память с переносом спинового момента). Принцип записи информации в SOT-MRAM основан на пропускании электрического тока через материал с сильным спин-орбитальным взаимодействием для генерации спинового тока и реализации спин-торк эффекта (spin-torque effect). В качестве записывающего слоя в ячейке памяти предложено использовать квазисвободный графен с интеркалированными атомами Au и ультратонкий слой Pt, размещенный между графеном и магнитным туннельным переходом (MTJ) ячейки. Уникальные свойства графена обусловлены линейной дисперсией валентных электронных состояний вблизи уровня Ферми, вследствие чего носители заряда в графене обладают практически нулевой эффективной массой, аномально высокой подвижностью и длиной спиновой релаксации при комнатной даже температуре. При этом благодаря взаимодействию с тяжелыми металлов (Au, Pt), при их интеркаляции под графен, имеет место индуцированное усиление спин-орбитального взаимодействия в графене. Было показано, что интеркаляция атомов Au или Pt под графен на ФМ подложке Ni(111) или Co(0001) приводит, с одной стороны, к формированию квазисвободного графена с линейным конусом Дирака в области точки К поверхностной зоны Бриллюэна, а с другой стороны, приводит к гигантскому индуцированному спиновому расщеплению электронных состояний графена до 100-150 мэВ, что может обеспечить повышение эффективности генерации спинового тока при использовании в элементе памяти. Благодаря высокой проводимости графена ожидается улучшение рабочих характеристик устройства – увеличение скорости работы и снижение энергопотребления устройства, за счет уменьшения пропускаемого электрического тока, необходимого для записи информации. При этом использование ультратонкой прослойки Pt между графеном и свободным магнитным слоем предотвращает разрушение Дираковского конуса электронных состояний при контакте графена с магнитным металлом, а с другой стороны, повышает эффективность передачи спинового момента и инжекции спин-поляризованных токов в свободный магнитный слой вследствие повышенной эффективности спин-орбитального торк-эффекта и передачи спинового момента, характерной для контакта Co/Pt. Эффективность предложенного прототипа ячейки памяти на основе графена подтверждена теоретическими оценками на основе микромагнитного моделирования.