Низкотемпературное СТМ/СТС исследование электронных и спиновых состояний единичных атомов магнитных металлов на поверхности полупроводниковНИР

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2013 г.-31 декабря 2013 г. Низкотемпературное СТМ/СТС исследование электронных и спиновых состояний единичных атомов магнитных металлов на поверхности полупроводников
Результаты этапа: Методами сверхвысоковакуумной (СВВ) низкотемпературной (НТ) сканирующей туннельной микроскопии/спектроскопии (СТМ/СТС) исследованы поверхности Ge(111)2х1 и InAs(110)1x1, полученные методом скола в условиях СВВ. Показана качественная разница в визуализации примесных состояний, вызванных наличием в подповерхностных слоях Ge(111) акцепторного или донорного примесного атома. Для поверхности Ge(111)2х1, с n-типом объемной проводимости, было установлено, что возможно наблюдение 11-ти типов характерных особенностей, 8 из которых напрямую ассоциируются с примесными атомами фосфора, залегающего в подповерхностных слоях Ge(111)2х1 вплоть до 5 атомного слоя. Было показано, что для примесных атомов, расположенных в верхних 2-х слоях Ge(111)2х1, возмущение, вносимое в электронную плотность состояний примесным атомом, носит одномерный характер и локализовано в пределах одного-двух pi-связанных атомных, а протяженность возмущения может достигать величин вплоть до 6nm вдоль pi-связанного ряда в обе стороны от места локализации примесного атома. Для объяснения наблюдаемых эффектов была разработана теоретическая модель, позволяющая, в рамках теории функционала плотности (ТФП), в сочетании с экспериментальными СТМ/СТС результатами, идентифицировать и классифицировать примесные атомы донорного типа по их характерным СТМ/СТС портретам. Прямое сравнение теоретических и экспериментальных изображений демонстрирует их хорошее соответствие, подтверждая как адекватность выбранной теоретической модели, так и возможность идентификации и классификации примесных атомов по их СТМ/СТМ портретам для поверхности n-Ge(111)2x1. Напротив, для слаболегированной поверхности Ge(111)2х1 с p-типом объемной проводимости, было показано, что возможна визуализация только одного типа примесного состояния, которое может быть ассоциировано с примесью акцепторного типа (атомом Ga). Подобное различие в визуализации поверхности Ge(111)2х1 с n- и p-типом объемной проводимости методами СТМ/СТС в настоящее время не имеет должного теоретического понимания и требует продолжения исследований в этом направлении. Экспериментально, методами СВВ НТ СТМ/СТС было изучено формирование квантовых систем атомных масштабов с различной пространственной размерностью (“0-”, “1-” и “2-мерные”), образующихся вследствие адсорбции на поверхность полупроводников группы IV (Ge) и А3B5 (InAs), атомов магнитных металлов (Со, Сr) и их ограниченной миграции вдоль выделенных кристаллографических направлений (характерных для каждой из выбранных поверхностей). Ключевой особенностью проводимых исследований было экспериментальное наблюдение на поверхности Ge(111)2х1 одновременное формирование таких низкоразмерных структур как: (1) квантовые точки, содержащие единичный атом Со (0-мерные структуры); (2) квантовые нити (1-менные структуры, содержащие последовательную цепочку атомов Со и локализованные в пределах одного pi-связанного ряда; (3) двумерные островки поверхностной реконструкции, состоящей из Co/Ge смешанного слоя. В ходе исследований выявлена решающая роль температуры поверхности на формирование каждой из этих наноструктур. Также в проекте были исследованы особенности формирования наноструктур атомных масштабов образующиеся вследствие адсорбции на поверхность InAs(110) атомов магнитных металлов (Со, Сr) и их ограниченной миграции вдоль выделенного кристаллографического направления [1-10]. Показано, что адсорбируемые атомы сохраняют поверхностную подвижность и мигрируют вдоль атомных поверхностных рядов вдоль направления [1-10] даже при температурах порядка 77К. В случае более низких температур поверхности, на которую происходит адсорбция атомов, обнаружено, что в большинстве своем адсорбируемые атомы равномерно распределяются по поверхности и преимущественно не образуют кластеров. С помощью НТ СВВ СТМ/СТС были предварительно исследованы характерные особенности визуализации единичных атомов Со и Cr на поверхности InAs(110) и показана принципиальная возможность их независимой идентификации.
2 1 января 2014 г.-31 декабря 2014 г. Низкотемпературное СТМ/СТС исследование электронных и спиновых состояний единичных атомов магнитных металлов на поверхности полупроводников
Результаты этапа: Экспериментально, с помощью сверхвысоковакуумного низкотемпературного СТМ/СТС было изучено формирование металлических квантовых систем атомных масштабов, с различной пространственной размерностью («0»-, «1-» и «2-мерные»), образующихся вследствие адсорбции на поверхность Ge(111)2?1 единичных атомов Co и их ограниченной миграции вдоль направления pi-связанных атомных рядов [01-1]. В ходе исследований было установлено, что в результате атомарного напыления кобальта на поверхность Ge(111)2?1 образуются структуры, которые можно условно разделить на 3 группы: (1) единичные атомы Со (0-мерные структуры, содержащие один атом Со); (2) квантовые нити (1-мерные – структуры, содержащие последовательную цепочку атомов Со локализованных в пределах одного pi-связанного ряда); (3) двумерные островки поверхностной реконструкции, состоящей из Со/Ge «смешанного слоя» (2-мерные структуры). Основываясь на теоретических исследованиях, на базе теории функционала плотности, в ходе выполнения проекта было показано, что адсорбируемый атом Со не остается на поверхности Ge(111)2х1, а проникает в его подповерхностные слои и занимает там квазистационарное положение внутри большого 7 – атомного кольца Ge между 3-им и 4-ым атомными слоями, строго под верхним pi-связанным атомным рядом. Несмотря на низкую температуру поверхности Ge(111) (T <80 К) в ходе напыления атомов Со, было показано, что значительная часть атомов Со (до 87%) уходит на формирование 2D Co/Ge «смешанного слоя». Оставшиеся 13% атомов Co проявляются в виде изолированных атомов Со, Со – кластеров или 1D – квантовых нитей. Впервые экспериментально было показано, что имплантированные атомы Со сохраняют подповерхностную подвижность даже при низких температурах порядка 80 К и могут мигрировать исключительно вдоль направления pi-связанных атомных рядов [01-1] как самостоятельно, при повышении температуры, так и вынужденно, с при помощи «внешнего воздействия». В результате анализа экспериментальных данных была выдвинута гипотеза, что формирование структур типа: 1-мерная квантовяй нить и 2-мерный Co/Ge «смешанный слой» происходит вследствие подповерхностной диффузии атомов Co с их последовательным аккумулированием вблизи поверхностных/подповерхностных дефектов. Предложенная гипотеза хорошо согласуется с предварительными расчетами, в рамках теории функционала плотности. При дальнейшем повышении температуры(до 450 К) наблюдается существенное увеличение подповерхностной диффузии атомов Co, вследствие чего в приповерхностных слоях Ge формируются 2-мерные структуры, состоящие из наноостровков Co/Ge с поверхностной реконструкцией периодичности Root(13)xRoot(13), вектор которой повернут относительно основных кристаллографических направлений поверхности Ge(111) на 14 градусов. Особое внимание в проекте было уделено исследованию электронных свойств как самого имплантированного атома Со, так и изменению электронных свойств непосредственно прилегающих к имплантированному атому Со верхнего pi-связанного ряда поверхностной реконструкции (2х1). Было обнаружено, что возмущения, вносимые имплантированным атомом Со в локальную электронную плотность состояний имеют существенно 1-мерный характер, где основное возмущение распространяется вдоль верхнего pi-связанного ряда, под которым находится имплантированный атом. СТМ изображения, полученные вблизи верхней границы заполненных поверхностных состояний, демонстрируют высокую анизотропию рассеяния поверхностных электронов над атомами Со и эффекты экранировки с 1-мерной локализацией вдоль pi-связанного ряда. Электронные свойства подобных атомных структур являются существенно квантовыми и представляют большой интерес. Также в проекте были экспериментально исследованы процессы адсорбции единичных атомов Co и Cr на поверхность InAs(110). Было обнаружено, атомы Со напыляемые на холодную поверхность InAs(110) могут как адсорбироваться, так и физсорбироваться на поверхность, при этом, физсорбированные атомы никак не влияют на электронные свойства поверхности и не приводят
3 1 января 2015 г.-31 декабря 2015 г. Низкотемпературное СТМ/СТС исследование электронных и спиновых состояний единичных атомов магнитных металлов на поверхности полупроводников
Результаты этапа:

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".