单层石墨Rashba效应的产生机制研究

自旋电子学（spintronics）器件可以通过与电子自旋相关联的量子效应产生一些新奇的功能，其应用前景及重要性可以由前年获得诺贝尔物理学奖的巨磁电阻效应（GMR,一种典型的自旋电子学效应）得到说明。单层石墨（graphene）中的传导电子已经向我们展示了许多新奇的特性，如相对论运动特性、零有效质量、室温量子霍耳效应等。最近的理论及实验研究显示，graphene/Ni(111)体系很可能是一个完美的自旋电子学材料。本工作拟对此体系开展X射线磁圆二色(XMCD)及自旋分辨光电子谱研究。研究的重点将放在碳2p电子与镍3d电子间的杂化对单层石墨中电子自旋及自旋轨道相互作用的影响。本工作将从自旋、轨道磁矩相关的电子状态这个最基本层面出发，检验graphne/Ni(111)体系是不是一个理想的电子自旋滤波材料、确认其中Rashba效应的有无、解释其产生机制并对已有的实验结果给出本质的解释。

单层石墨已经显示了许多特殊特性：非常长的平均自由程及与此相对应的良好导电性；导电电子的微小等效质量及与此相对应的室温量子霍尔效应。如果能在单层石墨中引入自旋轨道耦合并产生Rashba能带劈裂，则可望操纵单层石墨中的自旋流从而产生不需要外加磁场的自旋电子学功能。纯单层石墨仅有微小的自旋轨道耦合。对于Ni(111)基板上的单层石墨，其高达225 meV的Rashba劈裂之发现吸引了许多研究者围绕单层石墨及其中的自旋轨道耦合进行了大量的工作。在日本广岛大学，我们使用氦灯光源，在graphene/Ni(111)体系中观测到了高达100 meV的Rashba分裂。随后，在日本光子工厂，利用同步辐射光进行了相同实验。未观察到Rashba分裂。为了探究实验结果差异是否来源于光源与样品的几何配置变化，我们在广岛大学采用与光子工厂的同样几何配置重新进行了氦灯光源自旋分辨光电子谱实验，再一次观察到了高达300 meV的Rashba劈裂，所以，光源几何配置及光源偏振性不是实验结果差异的主要原因，样品制备条件的差异可能是得到不同结果的关键。我们对graphene/Ni(111)，graphene/Au(111)，graphene/Ag(111)系统进行了第一性原理计算。结果显示，graphene/Ni(111)体系中仅有meV量级的Rashba劈裂，而在graphene/Au(111)体系发现了高达100 meV的Rashba劈裂。其原因可以解释为C 2p 和Au 5d 能级能量的匹配及由此引起的较强轨道杂化。我们对SiC晶面上单层石墨生长初期进行了STM观测，发现了在Zigzag和Armchair边上由于不同对称破坏而导致的超结构。我们成功地实现了通过掺杂对拓扑绝缘体费米能级的调控。成功地制备了具有室温铁磁性的磁性掺杂拓扑绝缘体，成功地通过对费米能级的调控实现了对铁磁性的调控并进行了输运特性研究。在上海、北京、合肥同步辐射光源进行了掺杂拓扑绝缘体的衍射、吸收谱精细结构及光电子谱测量，研究了掺杂对晶体结构的影响及磁性杂质的近邻结构。观察了居里温度及pd相互作用与载流子密度之间的关系。我们进行了不同厚度铅薄膜的角度分辨光电子谱研究，发现铅薄膜的晶体结构不是fcc结构，而应该是hcp结构且自旋轨道耦合在决定费米面拓扑形状和能带结构中起重要作用。