Rent endimensionella band med en gigantisk spinnbana delning: pb nanoribbons på si (553) yta | vetenskapliga rapporter

Rent endimensionella band med en gigantisk spinnbana delning: pb nanoribbons på si (553) yta | vetenskapliga rapporter

Anonim

ämnen

  • Elektroniska egenskaper och material
  • spinntronik

Abstrakt

Vi rapporterar om en jätteuppdelning av Rashba-typ av metallband som observerats i endimensionella strukturer framställda på ett vicinal kiselsubstrat. Ett enda lager Pb på Si (553) beordrar denna vicinala yta vilket gör perfekt jämn fördelning av monatomiska steg. Även om det bara finns ett lager av Pb, avslöjar systemet mycket stark metallisk och rent endimensionell karaktär, som manifesterar sig i flera yttillståndsband som korsar Fermi-nivån i riktningen parallellt med stegkanterna och ett litet bandgap i vinkelrätten riktning. Som framgår av spinnpolariserat fotoemission och beräkningar av funktionsteori för täthet är dessa yttillståndsband snurrpolariserade och frikopplade helt från resten av systemet. Den experimentellt observerade spinndelningen på 0, 6 eV vid rumstemperatur är den största hittills i de kiselbaserade metalliska nanostrukturerna, vilket gör det betraktade systemet till en lovande kandidat för applicering i spintronic-anordningar.

Introduktion

En sökning efter nya material som kan påskynda utvecklingen av elektronik och datorkapacitet blir ett viktigt forskningsområde inom fysik, kemi och materialvetenskap. Bland olika lösningar är spintronics den som erbjuder en sådan förmåga. Förutom laddningen av en elektron utnyttjar den dess snurr vilket ger en extra grad av frihet för att bära informationsbitar 1 . För detta ändamål är spinndelade elektroniska band på Fermi-nivå ( EF ) nödvändiga med uppdelningen vid rumstemperatur tillräckligt stor för att förhindra att elektroner blandas med motsatta snurr i transportprocesser.

Vanligtvis kan spindegenerationen hos elektronband lyfta antingen genom magnetfältet (externt eller internt) eller genom stark interaktion mellan spin-orbit. Den senare effekten kan observeras i en bulkkristall (Dresselhaus-effekt) och / eller vid dess yta eller gränssnitt (Rashba-Bychkov (RB) -effekt). Medan Dresselhaus-effekten helt bestäms av en kristallens egna egenskaper, kan RB-effekten lätt modifieras på olika sätt som nyligen visats i ett antal rapporter 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 12, 13 . Tyvärr är spinndelningen i de flesta fall för liten för att användas i spintronic-enheter. Om den är stor, är de spinndelade banden vanligtvis helt ockuperade / oupptagna 2, 5, 6, 10, 11, 14, 15, 16 eller underlaget är metalliskt och tillfogar enorma opolariserade strömmar under spinntransport 2, 3, 4 . Förutom stor spinndelning av metalliska tillstånd på Fermi-nivå kräver således ett önskat system ett halvledande substrat, varvid kisel är det bästa valet som används i stor utsträckning inom teknik.

Bland olika system som hittills studerats och som uppfyller några av ovanstående kriterier är halvledare med deras yttillstånd Bi 2 Se 3 17, BiTeI 9, metallöverlagringar på halvledande substrat som Pb / Ge 7 eller Si (557) -Pb 18, rekonstruktioner av Si (111) inducerad av olika element 12, 19 och vicinala kiselytor beställda av närvaro av Au- atomkedjor 8, 20, 21, 22, 23 . Nanostrukturer i den senare gruppen har en-dimensionell (1D) karaktär och som sådan kan de avslöja en extra fördel - ett starkt undertryckande av spridningsbana spridning 24, 25 . Förutom ganska låg spinndelning uppstår emellertid i de flesta fall av Si-rekonstruktioner en stark interaktion mellan adatomer och de omgivande atomerna i kiselmatrisen, vilket är en oönskad effekt (blandning av spin-polariserade och opolariserade elektroner).

I detta brev rapporterar vi om nya elektroniska strukturer och spin-strukturer av Pb-nanoribbons på en Si (553) -yta, där nackdelarna som nämns ovan övervinns. Pb-nanorbanden har en-dimensionell karaktär med metalliska yttillstånd perfekt avkopplade från den elektroniska strukturen hos kiselsubstrat. Dessa tillstånd avslöjar jätte- Rashba-spinnbana som delar sig vid E F på mer än 0, 6 eV med Δ k F = 0, 2 Å −1, vilket avslöjats genom den spinn- och vinkelupplösta fotoemissionsspektroskopi [(S) ARPES] -mätningarna, och är den största hittills observerade för metallband i de kiselbaserade systemen vid rumstemperatur. Enligt beräkningar av densitetsfunktionsteori (DFT) orsakas sådan gigantisk spinndelning av det unika arrangemanget av Pb-atomer på varje terrass på ytan, i vilken Pb-atomer bildar ett ansträngt, starkt förvrängt hexagonalt gitter. Detta resulterar i uppkomsten av en stark anisotropi i laddningsfördelningen över stegen, och en stor snurrning av ytbanden, inklusive utseendet på en komponent utanför planet i spinnpolarisationen.

Resultat och diskussion

Avsättningen av 1, 3 ml Pb på Si (553) -ytan resulterar i ett Pb-vättskikt som vid glödgning gör den under Si-ytan ordnad med perfekt regelbunden fördelning av monatomiska steg. Den kristallografiska strukturen och morfologin för Si (553) -Pb-ytan bestämd med RHEED- och STM-experiment och DFT-beräkningar har rapporterats i ref. 26. Pb-atomerna bildar nanoribbons på varje Si (111) -terrass och varje nanoribbon består av fem Pb-atomkedjor. En modell av ytan förutspår ingen blandning mellan Pb- och Si-atomer jämfört med Si (553) -Au 26, 27 . Mer information om experiment- och modellberäkningar finns i tilläggsinformation.

Den elektroniska strukturen på Si (553) -Pb-ytan i form av fotoemissionsintensitet (andra derivat) -kartor registrerade i

Image

riktning, dvs parallellt med stegkanterna visas i fig 1 (a, b). Bandstrukturen visar flera 1D parabol-liknande band med ett mycket intensivt minimum runt 1 eV under EF belägen runt

Image

Ytpunkten för Brillouin-zonen, Fig. 1 (a). Ett liknande men enda band har observerats i den elektroniska strukturen hos Pb-kedjor odlade på Si (553) -Au 28- och Si (335) -Au 29, 30- ytorna och har rapporterats vara 6 p- bandet av bly. Dessa band visas på den högupplösta fotoemissionskartan nära Fermi-nivån, Fig. 1 (b).

Image

Fotoemissionsintensitet (2: a derivat) kartor över den bindande energin vs vågvektorn parallell ( a ), ( b ) och vinkelrätt ( c ) till stegkanterna. De dubbla pilarna i ( a ) och ( b ) indikerar motsatt polariserade band och den vita linjen i ( b ) - energiområde där spinnupplösta mätningar har gjorts. Inlägget i ( c ) visar energifördelningskurva erhållen från kartan för fotoemissionsintensitet över stegen. ( d ) Fermiytan på Si (553) -Pb med kanterna och mitten av ytorna Brillouinzoner visade som tunna, vita linjer respektive cirklar. Noll av den bindande energin anger Fermi-nivån.

Bild i full storlek

Även om Pb-täckningen överstiger 1 ML, avslöjar ytan ett bandgap i riktningen vinkelrätt mot stegen, Fig. 1 (c), vilket indikerar bandets 1D-karaktär. Insatsen i fig 1 (c) presenterar energifördelningskurva erhållen efter integration av fotoemissionsintensiteten över hela Brillouinzonen över stegen. Den visar långsamt ökande bakgrund av de sekundära elektronerna under EF och signifikant minskning av intensiteten vid cirka 110 ± 10 meV. YD-karaktären på ytan är också synlig i Fermi-ytan, Fig. 1 (d), där banden är långsträckta i

Image

riktning. Deras vågiga form indikerar emellertid den svaga växelverkan mellan Pb-kedjor.

Enligt DFT-beräkningarna avslöjar bandstrukturen längs nanoribbonen sex paraboliska liknande band som korsar Fermi-energin runt

Image

ytan av Brillouin-zonen på liknande sätt som i experimentet, fig. 2 (motsvarande band betecknas som de tjockare linjerna). Det är viktigt att notera att DFT-beräkningarna av den elektroniska strukturen har utförts inom modellen för reducerad enhetscellgeometri, Fig. S1 i avsnittet Kompletterande information och metoder. Inom den modellen är Pb-atomerna jämnt fördelade på terrassen och bildar ett nästan idealiskt sexkantigt gitter med enhetscellen

Image

. I själva verket är det sexkantiga gitteret kraftigt förvrängd och avståndet mellan Pb-atomerna i

Image

enhetsceller är inte enhetliga och varierar mellan 3.04 och 3.60 Å, Fig. S1 i kompletterande information. Att tillämpa hela enhetens cellgeometri-modell i DFT-beräkningarna, som innehåller mer än 300 atomer, ger ett stort antal vikta band och gör uppnådda resultat värdelösa. I det följande är således den beräknade elektroniska strukturen baserad på den reducerade enhetscellgeometri-modellen. Därför förväntar vi oss inte ett perfekt avtal mellan bandstrukturerna som erhållits med DFT och ARPES. Icke desto mindre bör sådana beräkningar ge några ledtrådar beträffande arten och ursprunget för den uppmätta elektroniska strukturen.

Image

Bidrag från olika orbital, betecknade med en cirkeldiameter, till bandstrukturen för Si (553) -Pb. Övre raden - Pb, nedre raden - Si.

Bild i full storlek

Resultaten presenterade i fig. 2 har erhållits för Pb-gitterkonstanten av

Image

Å, vilket är det genomsnittliga Pb-Pb-avståndet i detta system som hittats tidigare 26 . För att kasta ytterligare ljus på ytans elektroniska struktur har vi också gjort beräkningar för andra gitterkonstanter, Fig. S2 i kompletterande information. I båda fallen finns det tre par paraboliska liknande band som passerar Fermi-nivån runt

Image

ytan av Brillouin-zonen och banden införs av Pb-nanoribbons. Bandens positioner och former beror starkt på gitterkonstanten

Image

som Fig. S2 illustrerar. Det visar sig att experimentdata reproduceras bäst i beräkningar med

Image

EN.

Intressant är att de betraktade banden härstammar nästan helt från 6 p x orbitaler av bly, vilket indikeras av diametern på cirklar i fig. 2. Bidraget från andra orbitaler är försumbar, vilket antyder att elektroner i dessa band är helt frikopplade från resten av systemet. Den mest slående funktionen är avsaknaden av betydande bidrag från 6 p y orbitaler (y-riktningen är vinkelrätt mot nanoribbons) till de betraktade banden. Det är tydligen ansvarigt för att det finns energiklyftan över stegen. Den mycket svaga växelverkan mellan Pb och substratet beror på hybridiseringen av motsvarande p z- orbitaler, som fig. 2 illustrerar. Således kan vi betrakta Pb-nanoribbons som endimensionella föremål som är mycket väl avkopplade från underlaget.

Det svaga bidraget från 6 p y- orbitalerna kan också observeras när bandstrukturen projiceras på enskilda Pb-kedjor, fig. 3. Nämligen bidrar varje rad med Pb-atomer till bandstrukturen belägen i en annan del av Brillouin-zonen. Hybridiseringen av dessa tillstånd mellan angränsande Pb-rader är svag, så man kan tänka på detta system som av uppsättningen oberoende Pb-kedjor snarare än Pb-nanoribbons. Men några av banden spridda över hela nanoribbon med olika bidrag från olika kedjor. Band V och VI visar sådant beteende, vilket indikerar att Pb-kedjor inte är helt oberoende. Detta stöds också av ARPES-data, där Fermi-ytan visar vågiga former. Å andra sidan är ett par band I-II och III-IV lokaliserade på speciella kedjor. Således behandlar vi två olika uppsättningar av band: lokaliserade på atomkedjor och delokaliserade. Liknande slutsatser kan göras när man tittar på laddningsfördelningen längs Pb-kedjorna för varje betraktat band, Fig. S3.

Image

Bandstrukturen för Si (553) -Pb projicerade på olika rader av Pb-atomer.

Bild i full storlek

DFT-beräkningen av bandstrukturen bekräftar också närvaron av energiklyftan över stegen. Resultaten visas som tunna linjer överlagrade på fotoemissionskartan, Fig. S4 (a). Förutom linjerna representerar cirklarna bidrag av blyatomer till bandet. Den tydliga periodiciteten i bandstrukturen längs denna riktning härrör från den vanliga stegfördelningen på ytan. Förutom Pb-inducerade band, som är belägna cirka 110 meV under Fermi-nivån, ger beräkningarna också flera icke-spridande band som kommer från Si. En av dem ligger ungefär 10 meV under EF , Fig. S4 (a). Dess frånvaro i experimentdata kan bero på en liten spektraltäthet av detta yttillstånd överlagrat på den observerade relativt höga bakgrunden av sekundära elektroner. Det måste också hållas i åtanke att den reducerade enhetscellgeometri-modellen som används i bandstrukturberäkningarna inte beskriver ordentligt verklig yta, vilket förväntas inte ett perfekt överensstämmelse mellan beräkningsresultaten och experimentet.

Denna ovanliga 1D starkt metalliska multibandstruktur gör denna yta till ett mycket unikt system. Detta blir ännu mer spännande när man märker att de nära liggande banden som korsar Fermi-nivån liknar de spinndelade band som observerats i fallet Si (557) -Au och Si (553) -Au-ytor 8, 22, 23 . Spinn-split-bandhypotesen blir mer plausibel med tanke på att Pb-atomerna har stark interaktion mellan spin-orbit ( Z = 82) och att systemets låga dimensionalitet kan öka denna interaktion 31 . Dessutom har de Rashba-delade banden observerats i ett antal Pb-strukturer på olika substrat 4, 13, 18, 32, 33, 34 . I själva verket avslöjar de centrifugerade ARPES-mätningarna en tydlig asymmetri mellan fotemissionsintensiteten registrerad med två kanaler i Mott-detektorn. Mätningarna har gjorts för de band som indikeras med den vita linjen i Fig. 1 (b). Den snurrade medelvärdena för utsläpp av intensitetsintensitet för det området visas i fig. 4 (a) (blå prickar) tillsammans med passformen (röd linje) och sex toppar (motsvarande sex band) och bakgrunden (rak linje) som används för att anpassade till experimentdata.

Image

( a ) Spinnmedeltal fotoemissionsintensitet (blå prickar) av de band som anges i fig 1 (b) tillsammans med en passform (röd linje). De monterade topparna och bakgrunden visas som separata kurvor under experimentella data. ( b ) Inplan (blå) och out-of-plane (röda) komponenter i polarisationsvektorn. ( c ) Riktning av polarisationsvektorn för de betraktade banden. P z och P x är parallella med

Image

och

Image

riktningar, respektive. Siffran i varje diagram anger motsvarande intensitetstopp (band) som visas i ( a ).

Bild i full storlek

Asymmetri i fotoemissionsintensiteten för varje band uppmätt med två kanaler i Mott-detektorn resulterar i polarisering av banden som visas i fig. 4 (b). Bortsett från polariseringskomponenten i planet (blå) som är vinkelrät mot Pb-nanorbanden visas också en jämförbar i storlek utanför plan-komponenten (röd). De rotationsupplösta kurvorna för fotoemissionsintensitet för båda komponenterna visas i fig. S5. Ytterligare analys av de centrifugerade data har utförts i enlighet med receptet i ref. 33. De erhållna riktningarna för polarisationsvektorn för band presenteras i fig. 4 (c). Det är tydligt att polarisationsvektorn för varje band har en betydande komponent utanför planet. Inom gränsen för felstänger (betecknade som de intilliggande tunnblå linjerna) finns det en tydlig korrelation mellan polarisationsriktningen för banden. Polarisationsvektorerna för de första tre banden är nästan parallella med varandra. Samtidigt är de ungefär antiparallella mot polarisationen av de fram och femte banden. Uppenbarligen följer polariseringen av det sjätte bandet inte denna regel. Dessutom verkar det vara en moturs rotation av polarisationsvektorn och ökande out-of-plane-komponent som går från det första till det sista bandet.

På grund av rotationen av polarisationsvektorn och den stora felfältet är det inte möjligt att entydigt tilldela motsatt polariserade band och bestämma ett värde för spinndelning. Men med tanke på Rashba spinndelade band, betyder det band med motsatt spinnpolarisation, flera kombinationer av band kan betraktas t.ex. (I och IV), (I och V), (I och VI) och analoga kombinationer för band II och III. Med beaktande av följande par (I och IV), (II och V) och (III och VI) som Rashba spinndelade band har värdena för F k F = 0, 2 Å −1 och mer än 0, 6 eV på Fermi-nivå varit erhålles. Alla andra kombinationer av motsatt polariserade band, som t.ex. (I och V) eller (I och VI), skulle ge mycket större värden på spinndelningsparametrarna för minst ett par band. Således ger det ovan presenterade valet av band den minsta uppsättningen värden från möjliga kombinationer.

Enligt DFT-beräkningarna är ytan Pb-band delade, och uppdelningen härstammar från rotationsbanans interaktion. Intressant nog har polarisationsvektorerna både i plan, fig. 5 (a) och utanför planet, fig. 5 (b), komponenter, liknande som i experimentet (se fig. 4). En potentiell gradient längs riktningen vinkelrätt mot ytan är ansvarig för utseendet på polarisationsvektorns plan-komponent. Å andra sidan är de Pb-rad-projicerade elektronstatema belägna i olika delar av Brillouin-zonen ansvariga för asymmetrin i partiell laddningsfördelning inom ytan, alltså för den out-of-plane spinnpolarisationskomponenten.

Image

Bandstruktur för Si (553) -Pb beräknat med

Image

= 3, 37 Å ( a, b ). De motsatt polariserade banden indikeras av de röda och blå cirklarna. Cirkelns diameter bestämmer ett värde för motsvarande komponent i polarisationsvektorn. ( c ) Riktning av polarisationsvektorn för tre par av band bestämda vid E = 0, 09 eV. Inlägget i ( a ) presenterar en del av 1D-band som är av intresse för bestämningen av polarisationsvektorriktningen visad i ( c ). Siffran i varje diagram anger motsvarande band som indikeras i inlägget av ( a ).

Bild i full storlek

Förekomsten av komponenten i polarisationsvektorn vinkelrät mot ytan kan också förklaras med en asymmetrisk laddningsfördelning runt Pb-atomer, fig. 6. I fallet med den reducerade enhetscellgeometri-modellen är asymmetri i laddningsfördelningen mycket liten, Fig. 6 (a), varvid den erhållna komponenten utanför planet också är liten. Motsvarande beräkningar i modellen för full enhetcellgeometri för Si (553) -Pb visar emellertid signifikant laddningsasymmetri i ytan, fig 6 (b). Detta är resultatet av den icke-enhetliga fördelningen av Pb-atomer och borde leda till uppkomsten av en stark vinkelrät komponent i polarisationen som observerats i andra system 23 . I själva verket ger experimentet också polariseringskomponenten utanför plan (fig. 4) mycket större än den som förutses av den reducerade enhetscellgeometri-modellen, fig. 5 (b, c). Liknande beräkningar utförda längs stegen visar också ganska betydande asymmetri, fig. S6. Eftersom asymmetri i laddningsfördelningen och det resulterande elektriska fältet är parallellt med

Image

riktning kan den bidra till polariseringsvektorns out-of-plan-komponent endast om elektronen har rört sig i vinkelrätt riktning, dvs.

Image

.

Image

Laddningsfördelning ( a ) i den reducerade enhetscellgeometri (med

Image

= 3, 37 Å) och ( b ) i modellerna för hela enhetscellgeometri på Si (553) -Pb-ytan. En färgkod anger laddningstäthet i elektroner / bohr 3 enheter. En sidovy (längs med

Image

) för de reducerade ( c ) och fulla ( d ) enhetscellgeometri-modellerna. Laddningstätheten är medelvärden över hela enhetscellen längs med

Image

. De bruna (ljusblå) cirklarna betecknar Pb (Si) -atomer.

Bild i full storlek

Det finns emellertid en signifikant skillnad mellan experiment och teori i polarisationsvektorriktningen för varje band. Medan de experimentella uppgifterna visar de första tre banden med nästan parallell polarisation, fig 4 (c), ger den reducerade enhetscellgeometri vanligtvis ett alternativt arrangemang av riktningen för polariseringsvektorn för de betraktade banden, fig 5 (c). Situationen är liknande för större gitterkonstanter (Fig. S2 (b – d)). Polarisationsanvisningarna varierar emellertid väsentligt med Pb-Pb-avståndet. Intressant nog, för den kortaste gitterkonstanten som övervägs här börjar spinnpolarisationen att avvika från den här bilden, och polarisationsvektorerna är inte längre antiparallella i bandparet. Således kan den observerade skillnaden mellan experiment och teori tillskrivas det ovanliga arrangemanget av Pb-atomer med varierande mellanatom-avstånd i ett nanoribbon. Tyvärr, utan DFT-beräkningar som utförts inom den fullständiga enhetscellgeometri-modellen är det inte möjligt att göra direkt jämförelse av de beräknade och experimentella elektroniska strukturerna och få fler slutsatser beträffande Rashba-spin-split-tillstånd.

Bortsett från utseendet på den out-of-plane-komponenten i polarisationsvektorn, är den asymmetriska laddningsfördelningen i planet runt kärnor av tunga atomer också känd för att starkt förbättra spinndelningen av ytbanden 35 . Sådan asymmetri av laddningsfördelningen förutsägs redan för den fullständiga enhetscellgeometri-modellen som visas i fig. 6 (b) och stöder den jättevridningsdelningen som observerades i experimentet.

Rotationen av polarisationsvektorn från plan till ut-från-plan riktning med ökande vågvektorvärde kan vara relaterad till förändringar i banans orbitalkaraktär. Även om vi inte direkt kan kontrollera denna hypotes med de nuvarande DFT-beräkningarna i modellen för full enhetscellgeometri på grund av ett stort antal vikta band, har liknande argumentation förklarat rotationen av polarisationsvektorn observerad i Tl / Si (111) -systemet 16 .

En gigantisk uppdelning av elektronband har också observerats i andra system, emellertid antingen för helt ockuperade / oupptagna band, t.ex. Pt / Si (110) 11, Bi / Si (111) 5, 14, Tl / Si (111) 16 eller för ytor av metall 2 . System som kombinerar ett halvledande substrat och ytband som passerar Fermi-nivån är mycket mindre vanliga. Dessa inkluderar Pb / Ge (111) 7, olika rekonstruktioner av Si 12, 19, vicinala kiselytor med Au-inducerad beställning 8, 22, 23 och Si (557) -Pb 18 . Det senare systemet liknar det som rapporterats här, men Δ k F = 0, 2 Å −1 observeras endast vid temperaturer under 78 K där Fermi-häckning förekommer 36 . Vid denna temperatur inträffar Pb-inducerad refacettering från (557) (över 78 K) till (223) orienterade fasetter (under 78 K). Det betyder att under 78 K är systemet inte homogent - det finns (223) fasetter som avslöjar 1D-karaktär och breda (111) terrasser med 2D-karaktär. Således avslöjar Si (553) -Pb-systemet den största observerade bandsplitsningen i både vågvektor och energiskala vid rumstemperatur. Dessutom är dess kristallografiska struktur stabil upp till cirka 550 K och den exakta Pb-täckningen är inte så avgörande som för Si (557) -Pb 18 . Den andra fördelen är systemets väldefinierade 1D-karaktär även vid rumstemperatur, vilket antagligen är kraftigt reducerad spridning av omloppsbana. Detta är emellertid en öppen fråga och kräver ytterligare utredningar.

Från synvinkeln på spin-beroende transportfenomen och potentiella tillämpningar är de viktigaste kvantiteterna bestämda på Fermi-nivå. Bandets stora spinndelning indikerar stark koppling av rotationsbana vilket i sin tur antyder möjliga tillämpningar. Med nuvärdet av Δ k F = 0, 219 Å −1 kan man beräkna en avfasningslängd som definierar avståndet varefter snurrar prcess med 180 grader och kan betraktas som en grindlängd i en spinnfälteffekttransistor 37 . I det fall som beaktas är längden 1, 4 nm, vilket är en av de kortaste som rapporterats för spintronic-enheter. Tillsammans med energiseparationen av spinndelade band på Fermi-nivå (0, 6 eV) gör detta system till en lovande väg för att utveckla spintronic-enheter som arbetar vid rumstemperatur.

Sammanfattningsvis har vi studerat elektroniska strukturer och spin-strukturer på den vicinala Si (553) ytan med en regelbunden fördelning av steg över det makroskopiska storleksområdet stabiliserat av närvaron av Pb-överlager. Systemet uppvisar en starkt metallisk och en-dimensionell karaktär hos elektronband även vid rumstemperatur. De Pb-inducerade ytbanden snurrpolariseras på grund av rotationsbanans interaktion. Den observerade gigantiska spinndelningen av banden orsakas av det ovanliga ansträngda arrangemanget av Pb-atomerna på terrasserna och resulterade i anisotropisk elektronladdningsfördelning runt Pb-kärnor. Sådan jättespinndelning leder till mycket kort avfasningslängd som kan vara av betydelse inom spintronic-tekniken. Det nuvarande systemet uppfyller de viktigaste kriterierna som ska användas i spintronic-enheter och kan säkert arbeta vid rumstemperatur med fortfarande gigantiska spin-split-band på Fermi-nivå. De spinndelade ytbanden kopplas perfekt från underlaget och säkerställer rena snurrströmmar som förhindrar deras blandning med opolariserade substratströmmar.

metoder

Pb-nanoribbonen på Si (553) har framställts genom avsättning av 1, 3 ml (monolager) av Pb på nyblixten vicinal Si. 1 ML definieras som densitet hos atomer i en hälft av det bulkavslutade Si (111) -skiktet. Efter avsättning glödgades Pb-skiktet vid 250 ° C. Mer information finns i refs. 26, 38. SARPES-mätningarna har utförts med en heliumlampa med hög ljusstyrka (opolariserad He I-linje) och en högupplösta halvsfärisk analysator (Phoibos 150) med en tvådimensionell MCP-elektrondetektor och 12-bitars CCD-kamera, fig. S7. För den spinnupplösta detektionen användes en 25 keV Mott-detektor. Energi- och vinkelupplösningarna inställdes på 30 meV och 0, 2 ° för vinkelupplöst respektive 100 meV respektive 0, 5 ° för spinnupplösade mätningar.

Beräkningarna utfördes inom Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) 39 generaliserad gradient approximation (GGA) till densitetsfunktionsteori med användning av projektor-förstärkta vågpotentialer, som implementerades i VASP (Wien ab-initio simuleringspaket) 40, 41 . En plan vågbasuppsättning med energibesparande inställdes till 340 eV. Vi har beaktat två enhetsceller: hela enhetens geometri

Image

(i korthet 7 × 1, diskuterat i ref. 26) och den reducerade enhetscellgeometri

Image

(1 × 1). Båda strukturerna visas i fig. SI.

Motsvarande Brillouin-zoner samplades med ett 2 x 2 × 1 respektive 7 × 2 × 1 Monkhorst-Pack k-punkter galler 42 . I strukturell avslappning var alla atomlägen, utom bottenlagret, helt avslappnade tills den maximala kraften i valfri riktning var mindre än 0, 01 eV / Å. Si-atomerna i bottenskiktet fixerades i sina ideala bulkpositioner och mättades med väteatomer. Beräkningarna av bandstrukturen utfördes i den reducerade enhetscellgeometri med hänsyn till interaktion mellan spin-orbit. Laddningstäthetsfördelningarna beräknades med användning av SIESTA-koden 43, 44, 45, 46 med en liknande uppsättning parametrar.

ytterligare information

Hur man citerar den här artikeln : Kopciuszyński, M. et al . Rent endimensionella band med en gigantisk spinnbana delning: Pb nanoribbons på Si (553) ytan. Sci. Rep. 7, 46215; doi: 10.1038 / srep46215 (2017).

Förlagets anmärkning: Springer Nature förblir neutral när det gäller jurisdiktionskrav i publicerade kartor och institutionella anslutningar.

Kompletterande information

PDF-filer

  1. 1.

    Kompletterande information

kommentarer

Genom att skicka en kommentar samtycker du till att följa våra villkor och gemenskapsriktlinjer. Om du finner något missbruk eller som inte överensstämmer med våra villkor eller riktlinjer ska du markera det som olämpligt.