Spin-induced band modifications of graphene through intercalation of magnetic iron atoms

Abstract

Intercalation of magnetic iron atoms through graphene formed on the SiC(0001) surface is found to induce significant changes in the electronic properties of graphene due mainly to the Fe-induced asymmetries in charge as well as spin distribution. From our synchrotron-based photoelectron spectroscopy data together with ab initio calculations, we observe that the Fe-induced charge asymmetry results in the formation of a quasi-free-standing bilayer graphene while the spin asymmetry drives multiple spin-split bands. We find that Fe adatoms are best intercalated upon annealing at 600 °C, exhibiting split linear π-bands, characteristic of a bilayer graphene, but much diffused. Subsequent changes in the C 1s, Si 2p, and Fe 3p core levels are consistently described in terms of Fe-intercalation. Our calculations together with a spin-dependent tight binding model ascribe the diffuse nature of the π-bands to the multiple spin-split bands originated from the spin-injected carbon atoms residing only in the lower graphene layer.

Интеркалирование Графена, Сформированного На Карбиде Кремния, Атомами Железа

“…Типичный спектр C 1s, полученный после очистки образца, показан в нижней части рис. 2, а. Он хорошо согласуется со спектрами, приведенными в работах [9,18] для одно-слойного графена на карбиде кремния. Соответствует литературным данным и спектр Si 2p, показанный на рис.…”

“…Во-вторых, пленки, образу-ющейся между буферным слоем и верхним монослоем атомов SiC(0001) (толщиной d 2 ). Модельные расчеты, проведенные методом псевдопотенциала [9], показали, что именно эта конфигурация является энергетически наиболее выгодной для данной системы. Кроме того, в этой же работе были получены и экспериментальные данные, свидетельствующие в пользу указанного сцена-рия процесса интеркаляции.…”

“…1, на ранней стадии интеркалирования (после напыления 0.3 nm Fe) в приповерхностной области образца обра-зуется лишь субмонослойная пленка железа второго типа с эффективной толщиной d 2 , равной 0.06 nm. При этом, как показано в работе [9], контактирующие с железом участки буферного слоя трансформируются в слой графена. Однако при дальнейшем увеличении количества нанесенного железа рост этой пленки за-медляется, и атомы Fe начинают накапливаться между исходным графеном и буферным слоем.…”

“…Весьма перспективным направлением дальнейшего развития этой технологии является создание на основе графена новых устройств спинтроники. В этой связи много внимания в последние годы уделяется проблеме модификации электронной и спиновой структуры графена при его контакте с магнитными металлами [4][5][6][7][8][9][10][11][12][13][14][15]. Однако подавляющее большинство этих исследований выполнено для графена, выращенного непосредственно на поверхности метал-ла методом химического осаждения из газовой фазы.…”

“…Однако подавляющее большинство этих исследований выполнено для графена, выращенного непосредственно на поверхности метал-ла методом химического осаждения из газовой фазы. Что же касается графена, сформированного на карбиде кремния (Gr/SiC), к настоящему времени нам известна лишь одна работа [9], авторы которой обнаружили спин-индуцированную модификацию зонной энергети-ческой структуры графена при его интеркалировании магнитными атомами железа. Однако процесс формиро-вания интеркаляционной системы графен−железо−кар-бид кремния (Gr/Fe/SiC) очень сложен и многие ас-пекты его до сих пор не ясны.…”